Chemia i technologia materiałów barwnych BADANIE WŁAŚCIWOŚCI ZWIĄZKÓW BARWNYCH WYKORZYSTANIEM SPEKTROFOTOMETRII UV-VIS.

Transkrypt

1 Chemia i technologia materiałów barwnych Ćwiczenia laboratoryjne BADANIE WŁAŚCIWOŚCI ZWIĄZKÓW BARWNYCH WYKORZYSTANIEM SPEKTROFOTOMETRII UV-VIS. Z Opracowanie: dr inŝ. Ewa Wagner-Wysiecka Politechnika Gdańska Wydział Chemiczny Katedra Technologii Chemicznej 1

2 1. WSTĘP Związki barwne znajdują szerokie zastosowanie m.in. w chemii analitycznej zarówno w klasycznej analizie jak i w metodach instrumentalnych. W analityce związki barwne stosowane są jako wskaźniki alkacymetryczne, kompleksometryczne, wskaźniki redoks, wskaźniki adsorpcyjne. Związki tego typu stosowane są w roztworach wodnych, rozpuszczalnikach organicznych oraz w układach mieszanych rozpuszczalników. Prowadzone przez ostatnich kilkadziesiąt lat intensywne badania nad wysoce selektywnymi (jeśli nie specyficznymi) odczynnikami spowodowały, Ŝe przy wykorzystaniu związków barwnych moŝna oznaczać większość indywiduów (kationy metali, aniony organiczne i nieorganiczne, obojętne cząsteczki). Klasyczne wskaźniki ph Pomiary ph naleŝą do najczęściej wykonywanych pomiarów w laboratorium. MoŜna do tego celu wykorzystać metodę potencjometryczną a takŝe metodę wizualną z zastosowaniem wskaźników ph (indykatorów). Wskaźnikami ph są związki organiczne o charakterze słabych kwasów lub zasad. W roztworze wodnym ulegają one dysocjacji tworząc odpowiednio zabarwiony jon. WyróŜnia się wskaźniki dwubarwne (np. oranŝ metylowy) oraz jednobarwne (np. fenoloftaleina). Pod względem budowy chemicznej wskaźniki ph naleŝą do wielu grup związków ( np. barwniki azowe, trifenylometanowe). WaŜnym parametrem cechującym tego typu wskaźniki jest wartość ich stałej dysocjacji. Stała ta moŝe zostać wyznaczona wieloma metodami, jednak dla związków barwnych najdogodniejszą wydaje się być metoda spektrofotometryczna. Wskaźniki metalochromowe Zdolność do selektywnego tworzenia kompleksów przez związki barwne moŝe zostać wykorzystana do oznaczania np. jonów metali. Wskaźniki takie określane są mianem metalowskaźników lub wskaźników metalochromowych. Związki takie wykorzystywane są w metodach miareczkowania kompleksometrycznego jak i jako selektywne odczynniki w spektroskopii UV-Vis. Przy pomocy typowych odczynników metalochromowych (np. czernie eriochromowe, PAN, PAR itp.) moŝna oznaczać większość kationów metali za 2

3 wyjątkiem jonów I grupy układu okresowego. Odkrycie przez Pedersena eterów koronowych i ich właściwości selektywnego kompleksowania jonów metali m.in. litowców umoŝliwiło opracowanie szczególnie selektywnych metod oznaczania jonów metali I grupy układu okresowego. Na przykład zaproponowano metodę oznaczania jonów potasu w surowicy krwi z wykorzystaniem 18-korony-6. Jako barwny odczynnik pomocniczy zastosowano zieleń bromokrezolową. Wprowadzenie do cząsteczek eterów koronowych ugrupowań o charakterze chromoforowym dało początek nowej grupie związków określanych mianem chromojonoforów. Związki te posiadają zdolność selektywnego kompleksowania jonów metali, czemu towarzyszy określona zmiana barwy. Ugrupowaniem często wprowadzanym do cząsteczek chromojonoforów jest grupa azowa. MoŜe ona znajdować się poza obrębem makrocyklu bądź stanowić jego część. W ostatnim przypadku donorowe atomy azotu mogą uczestniczyć w procesie kompleksowania jonów. Proces selektywnego kompleksowania jonów metali, tak jak w przypadku wszystkich związków makrocyklicznych, jest uzaleŝniony m.in. od wzajemnego dopasowania rozmiarów cząsteczki gościa i gospodarza. CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA Aparatura i odczynniki: Wszystkie pomiary zostaną wykonane przy pomocy spektrofotometru UV-Vis UNICAM 300 w kuwetach kwarcowych (1cm). Do dyspozycji będzie takŝe odpowiednie szkło miarowe. Ćwiczenie 1 Wyznaczanie stałej dysocjacji wskaźnika ph Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej dysocjacji wskaźnika ph zieleni bromokrezolowej. Stała zostanie wyznaczona metodą spektrofotometryczną. W celu wyznaczenia stałej naleŝy przygotować serię roztworów o określonym ph w tym takŝe takie, w których badany związek występuje całkowicie w postaci zdysocjowanej oraz niezdysocjowanej. Następnie naleŝy zmierzyć absorbancję odpowiednich roztworów i na podstawie uzyskanych wyników wyznaczyć wartość pk a badanego wskaźnika. Wytyczne dotyczące sporządzania odpowiednich roztworów zostaną podane przez prowadzącego ćwiczenie (Załącznik 1). 3

4 Ćwiczenie 2 Badanie zmian barwy w roztworach wskaźników. Celem ćwiczenia jest określenie wpływu stęŝenia roztworu wskaźnika (zieleni bromokrezolowej) na zmianę jego barwy i wykazanie, Ŝe zmiana barwy nie jest jedynie wynikiem rozcieńczania. W tym celu naleŝy przygotować roztwór podstawowy zieleni bromokrezolowej o stęŝeniu 1, mol/dm 3. Następnie przygotować roztwory zieleni bromokrezolowej o róŝnym stęŝeniu przez rozcieńczenie odpowiednio: 0,50; 1,00; 1,50; 2,50; 3,90; 4,50; 5,10; 6,00; 6,30 oraz 7,50 ml roztworu podstawowego w kolbach o pojemności 10 ml. NaleŜy zwrócić uwagę na zabarwienie roztworów i wyjaśnić zaobserwowane róŝnice w barwie. Ćwiczenie 3 Wyznaczanie stałej trwałości kompleksu chromogenicznego eteru koronowego z jonami metali w acetonitrylu. W celu wyznaczenia stałej kompleksowania naleŝy przygotować serię odpowiednich roztworów. Roztwór podstawowy liganda: o stęŝeniu ok mol/dm 3. Roztwór nadchloranu metalu: o stęŝeniu ok mol/dm 3. Roztwory posłuŝą do przygotowania roztworów, na podstawie których zostanie wyznaczona stała kompleksowania. Następnie naleŝy wykonać widmo podstawowe liganda o stęŝeniu 10-5 mol/dm 3 ( naleŝy znaleźć λ max oraz ε max). Następnie, zachowując to samo stęŝenie liganda, naleŝy zarejestrować widmo w obecności soli metalu w warunkach takich, aby moŝna było przyjąć, Ŝe w roztworze mamy do czynienia prawie wyłącznie z formą skompleksowaną liganda (widmo graniczne). Na podstawie widm liganda zarejestrowanych przy róŝnych stęŝeniach soli metalu, widma podstawowego oraz widma granicznego naleŝy wyznaczyć stałą trwałości kompleksu metodą Benesi Hildebranda. Zakres obowiązującego materiału: wskaźniki w chemii analitycznej: działanie, budowa, kryteria stosowania. Dysocjacja, stała dysocjacji, wyznaczanie stałej dysocjacji kwasów i zasad, ogólne podstawy analizy spektrofotometrycznej, prawo Lamberta-Beera, związki 4

5 kompleksowe, stałe trwałości, metody wyznaczania stałych trwałości kompleksów (metoda Benesi-Hildebranda). Potrzebne informacje zawarte są w podręcznikach: Chemia analityczna J. Minczewski, Z. Marczenko Chemia fizyczna- dowolny podręcznik akademicki Eksperymentalna chemia fizyczna Lucjan Sobczyk Przy przygotowywaniu niniejszej instrukcji skorzystano z następujących materiałów: J.Chem.Educ., 38, 365 (1961). J.Chem.Educ., 71, 747 (1994). J.Chem.Educ., 76, 395 (1999). J.Chem.Educ., 76, 892 (1999). J.Chem.Educ., 78, 939 (2001). Talanta, 24, 763 (1977). Skryptu: Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej red. Edward Dutkiewicz, Wydawnictwo UAM, Poznań 1997; oraz z wyników prac badawczych aktualnie prowadzonych w Katedrze Technologii Chemicznej. 5