OZNACZANIE ŻELAZA W WODZIE WODOCIĄGOWEJ METODĄ KOLORYMETRYCZNĄ

Transkrypt

1 OZNACZANIE ŻELAZA W WODZIE WODOCIĄGOWEJ METODĄ KOLORYMETRYCZNĄ Instrukcja do ćwiczeń opracowana w Katedrze Chemii Środowiska Uniwersytetu Łódzkiego. 1. Wprowadzenie 1.1. Żelazo Związki żelaza występujące w wodach naturalnych mogą pochodzić z gruntu, w którym żelazo jest rozpowszechnione w postaci pirytu (FeS 2 ) lub chalkopirytu (CuFeS 2 ), z korozji rurociągów (zbiorników) oraz zanieczyszczeń ściekami przemysłowymi. Przejście żelaza do wód naturalnych z gruntu zachodzi pod wpływem utleniania siarczków siarczków czasie wietrzenia skał: 2FeS 2 + 7O 2 2FeSO 4 + 2H 2 SO 4 CuFeS 2 +4O 2 CuSO 4 + FeSO 4 Lub w czasie rozkładu np. pirotynu pod wpływem kwasu węglowego (IV) lub innych kwasów organicznych. FeS + 2CO 2 +2H 2 O Fe(HCO 3 ) 2 + H 2 S W wodach podziemnych żelazo najczęściej znajduje się w postaci wodorowęglanu (IV) żelaza (II). W wodach powierzchniowych lub bagiennych żelazo może występować również w postaci humusanów lub fosforanów. Poza tym, zależnie od składu wód naturalnych i warunków tlenowych czy beztlenowych, żelazo w wodach naturalnych może występować w postaci związków dwu- i trójwartościowych. Obecność w wodzie jonów żelaza (II) Fe 2+ stwarza sprzyjające warunki do rozwoju bakterii żelazistych, które mogą doprowadzić do zarastania przewodów wodociągowych. Wody zawierające znaczne ilości związków żelaza w postaci wodorowęglanu (IV) żelaza (II) po dłuższym czasie lub napowietrzaniu ulegają zmętnieniu na skutek hydrolizy Fe(HCO 3 ) 2 + H 2 O Fe(OH) 2 + 2H 2 O + 2CO 2 Tworzący się wodorotlenek żelaza (II) łatwo utlenia się tlenem rozpuszczonym do wodorotlenku żelaza (III), zgodnie z równaniem: 2Fe(OH) 2 + ½O 2 + H 2 O 2Fe(OH) 3 Wodorotlenek żelaza (III) wydziela się wówczas wówczas wody jako trudno rozpuszczalny osad w postaci brunatnych kłaczków. Sumaryczna reakcja hydrolizy wodorowęglanu (IV) żelaza (II) i utleniania żelaza z drugiego do trzeciego stopnia utlenienia wyraża się równaniem:

2 2Fe(HCO 3 ) 2 + ½O 2 + H 2 O 2Fe(OH) 3 + 4CO 2 W wodach naturalnych, zawierających siarczan (VI) żelaza (II), hydroliza tego związku przebiega podobnie z tym, że tworzący się kwas siarkowy (IV) jest zobojętniany przez zasadowość, tj. przez zawarte w wodzie wodorowęglany. Przebieg reakcji można napisać następująco: FeSO 4 + H 2 O Fe(OH) 2 + H 2 SO 4 (hydroliza) H 2 SO 4 + Ca(HCO 3 ) 2 CaSO 4 + 2H 2 O + 2CO 2 (zobojętnianie) 2Fe(OH) 2 + ½O 2 + H 2 O 2Fe(OH) 3 (utlenianie) Sumarycznie: 2FeSO 4 + 2Ca(HCO 3 ) 2 + ½O 2 + H 2 O 2Fe(OH) 3 + 2CaSO 4 + 4CO 2 Z reakcji wynika, iż związki żelaza Fe(HCO 3 ) 2 i FeSO 4 są nietrwałe i łatwo wydzielają się z wody w postaci osadu wodorotlenku żelaza (III). Natomiast w wodach powierzchniowych, zawierających żelazo w postaci humusanów, proces strącania się żelaza w postaci wodorotlenku żelaza (III) zachodzi tylko częściowo, gdyż związki humusowe (organiczne) spełniają tu rolę inhibitorów, czyli czynników zapobiegających wytrącaniu się wodorotlenku żelaza (III). Wytrącanie się żelaza z takich wód odbywa się m.in. z udziałem bakterii, które rozkładają koloidy ochronne, zapobiegające wytrącaniu się wodorotlenku żelaza (III). Tworzący się w procesie utleniania wodorotlenek żelaza (III) jest bardzo słabo rozpuszczalny, np. gdy ph = 4 około 0.05 mg/dm 3, a gdy są wyższe wartości ph, w jeszcze mniejszych ilościach. Stąd żelazo trójwartościowe występuje prawie wyłącznie w wodach powierzchniowych w połączeniu ze związkami organicznymi w postaci koloidalnej. Żelazo dwuwartościowe występuje przede wszystkim w wodach podziemnych w różnych ilościach ad śladów do kilku mg/dm 3 Fe. Jednakże spotyka si ę również wody podziemne i bagienne, w których ilość żelaza dwuwartościowego dochodzi do kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu mg/dm 3 Fe, szczególnie w obecności dużych ilości soli amonowych. Znaczna ilość żelaza w wodzie wpływa na mętność i smak wody. Z tych względów pożądane jest, aby woda do picia i potrzeb gospodarczych nie zawierała więcej niż 0,3 mg/dm 3 Fe, gdyż te ilości nie zmieniają cech fizycznych wody. Dopuszczalne jest stężenie 0,5 mg/dm 3. W przemyśle papierniczym, włókienniczym, przy produkcji filmów, prze3myśle krochmalniczym i innych obecność żelaza w wodzi produkcyjnej nawet w bardzo małych ilościach jest niepożądana.

3 1.2. Metoda oznaczania Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ogólnej zawartości żelaza zawartej w wodzie wodociągowej przy zastosowaniu metody kolorymetrycznej. Oznaczanie żelaza ogólnego polega na redukcji wszystkich form żelaza zawartych w wodzie do żelaza dwuwartościowego. Podstawą kolorymetrycznego oznaczania jest reakcja żelaza (II) z 1,10-fenantroliną, w wyniku której w optymalnym zakresie ph = 2,9 do 3,5 tworzy się różowo-pomarańczowy kompleks. Intensywność powstałego zabarwienia jest proporcjonalna do zawartości żelaza w próbce. 2. Odczynniki i aparatura - kwas solny (1:1) - chlorowodorek hydroksyloaminy, roztwór 20% - bufor octanowy o ph 3,15-1,10-fenantrolina, roztwór 0,5% - wodorotlenek sodu, roztwór 20% - wyjściowy roztwór żelaza (0,2 mg/ml) - kuwety pomiarowe 25 ml - cylinder miarowy 100 ml - cylinder miarowy 25 ml - wkraplacz plastikowy - pipety o pojemności 1 ml, 2 ml, 5 ml, 10 ml, 20 ml - kolby miarowe o pojemności 50 ml 10 szt. - tryskawka - spektrofotometr firmy HACH 3. Wykonanie oznaczenia 3.1. Przygotowanie próbki żelaza Z wyjściowego roztworu żelaza przygotować roztwór wzorcowy o stężeniu 0,01 mg/ml. Do kolbki o pojemności 50 ml wlać 1 ml roztworu wzorcowego żelaza, następnie dodawać kolejno 0,5 ml HCl (1:1), 2,5 ml chlorowodorku hydroksyloaminy, 10 ml buforu

4 octanowego, 2 ml o-fenantroliny oraz 0,6 ml roztworu wodorotlenku sodu. Uzupełnić wodą do kreski i odczekać 10 minut. Przed przystąpieniem do dalszej części ćwiczenia należy zapoznać się z instrukcją obsługi spektrofotometru HACH (numer metody 0). Następnie należy zmierzyć absorbancję przygotowanej próbki w zakresie długości fali nm, zmieniając stopniowo jej wartość co 4nm. Pomiary należy rozpocząć od najwyższych wartości długości fali, schodząc stopniowo do wartości mniejszych. Po każdej zmianie długości fali zerujemy przyrząd poprzez wstawienie kuwety z czystą wodą i wciśnięcie przycisku zero. Na papierze milimetrowym wykreślić zależność A = f( ) i wybrać długość fali (maksimum absorpcji), przy której będą prowadzone dalsze pomiary Przygotowanie próbek do krzywej wzorcowej Przygotować serię roztworów wzorcowych o następujących zawartościach żelaza: L.p. mg Fe ml roztworu Stężenie wzorcowego końcowe [mg/l] 1 0,001 0,1 0,02 2 0,002 0,2 0,04 3 0,003 0,3 0,06 4 0,005 0,5 0,10 5 0,010 1,0 0,20 6 0,015 1,5 0,30 7 0,020 2,0 0,40 8 0,030 3,0 0,60 9 0,040 4,0 0,80 Po wprowadzeniu do kolbek miarowych o objętości 50 ml odpowiednich ilości wzorcowego roztworu żelaza, dodać kolejno do każdej z nich: 0,5 ml HCl (1:1), 2,5 ml chlorowodorku hydroksyloaminy, 10 ml buforu octanowego, 2 ml 1,10-fenantroliny i 0,6 ml NaOH.

5 Odczekać 15 minut następnie zmierzyć absorbancję przygotowanych roztworów przy wyznaczonej wcześniej analitycznej długości fali, używając jako odnośnika wody. Następnie przygotować próbki zawierające po 30 ml wody wodociągowej, wody destylowanej i wody z cieku. Do każdej z nich dodać odpowiednie ilości odczynników uzupełnić wodą destylowaną do kreski. Zmierzyć absorbancję poszczególnych próbek używając wody jako odnośnika. 4. Opracowanie wyników 1. Wstęp teoretyczny 2. Wykreślić zależność absorbancji od długości fali i wyznaczyć długość fali przy której będą prowadzone pomiary. 3. Wykreślić krzywą kalibracyjną i na jej podstawie określić zawartości żelaza w analizowanych próbkach. 4. Porównać uzyskane rezultaty z wartościami dopuszczalnymi dla wody wodociągowej. Literatura: 1. Z. S. Szmal, T. Lipiec, Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej, Warszawa, PZWL, 1988 (rozdz ). 2. J. Minczewski, Z. Marzenko, Chemia analityczna, t 3, Warszawa 1987, PWN (rozdz ). INSTRUKCJA OBSŁUGI

6 SPEKTROFOTOMETRU DR/2000 FIRMY HACH 1. Opis przyrządu Spektrofotometr firmy HACH DR/2000 jest jednowiązkowym przyrządem sterowanym mikroprocesorem, umożliwiającym wykonywanie ponad 120 analiz kolorymetrycznych (w laboratorium i w warunkach polowych) na podstawie wprowadzonych do pamięci krzywych kalibracyjnych. 2. Opis regulatorów pracy przyrządu Na rysunku 1 pokazano regulatory pracy spektrofotometru, wskaźniki i gniazda podłączeniowe, natomiast ich rolę i spełnianą funkcję podano poniżej. Regulatory pracy, wskaźniki i gniazda podłączeniowe: Nr Nazwa Opis 1 Pokrywa gniazda Osłania gniazdo kuwety pomiarowej przed dostępem światła. Na kuwety spodniej ścianie zawiera wykaz numerów programów wprowadzonych do pamięci przyrządu. 2 Pokrętło regulacji długości fali Używane do nastawiania długości fali pomiarowej, odpowiedniej dla oznaczanego parametru, w nanometrach. 3 Ekran Okienko ekranu ciekłokrystalicznego, podzielone na trzy obszary o różnych funkcjach: długości fali, wyjście cyfrowe oraz informację literowo-cyfrową. Wskazuje długość fali pomiarowej, wskazuje kolejne czynności i podaje wyniki pomiarów, wyrażone w jeden z możliwych sposobów. Podczas przeglądania menu przy pomocy przycisków oznakowanych strzałkami ukazuje możliwe opcje. Informuje o błędach popełnionych podczas niewłaściwego wykonywania czynności. 4 Przycisk TIMER/7 Uruchamia działanie regulatora czasowego przy jednoczesnym naciśnięciu z przyciskiem SHIFT. Naciskany bez jednoczesnego użycia przycisku SHIFT pełni funkcję numeryczną. 5 Przycisk - /8 Używany do wprowadzenia wartości ujemnej w wariancie pracy z wykorzystaniem ekranopisu, przy jednoczesnym naciskaniu przycisku SHIFT. Naciskany bez jednoczesnego użycia przycisku SHIFT pełni funkcję numeryczną. 6 Przycisk +/9 Przycisk o funkcji numerycznej. Nie używać w połączeniu z przyciskiem SHIFT. 7 Przycisk CONC/6 Zapoczątkowuje działanie z odczytem stężenia, przy jednoczesnym naciśnięciu z przyciskiem SHIFT. Naciskany bez jednoczesnego użycia przycisku SHIFT pełni funkcję numeryczną. 8 Przycisk ABS/5 Zapoczątkowuje działanie z odczytem absorbancji, przy jednoczesnym naciśnięciu przycisku SHIFT. Naciskany bez jednoczesnego użycia przycisku SHIFT pełni funkcję numeryczną.

7 9 Przycisk %T/4 Zapoczątkowuje działanie z odczytem procentu przepuszczalności, przy jednoczesnym naciśnięciu przycisku SHIFT. Naciskany bez jednoczesnego użycia przycisku SHIFT pełni funkcję numeryczną. 10 Przycisk PROG/3 Używany do zapoczątkowania kalibracji wykonywanych przez obsługującego przyrząd, przy jednoczesnym naciśnięciu przycisków SHIFT i CONFIG/METH. Używany także razem z przyciskami SHIFT i TIMER w celu ręcznego uruchomienia regulatora czasowego. Naciskany bez jednoczesnego użycia przycisku SHIFT pełni funkcję numeryczną. 11 Przycisk EDIT/2 Używany razem z przyciskami SHIFT i CONFIG/METH do zapoczątkowania edycji metody wprowadzanej przez obsługującego. Naciskany bez jednoczesnego użycia przycisku SHIFT pełni funkcję numeryczną. 12 Przycisk BATT/1 13 Przycisk CLEAR/ZERO Używany do sprawdzania stanu naładowania baterii, przy jednoczesnym naciśnięciu przycisku SHIFT. Na ekranie pojawi się aktualna wartość napięcia baterii oraz wykres ilustrujący jej żywotność. Naciskany bez jednoczesnego użycia przycisku SHIFT pełni funkcję numeryczną. Używany razem z przyciskiem SHIFT do wymazywania błędnych liczb lub symboli na ekranie przed ich wprowadzeniem do przyrządu. Naciskany bez jednoczesnego użycia przycisku SHIFT służy do zerowania przyrządu z zastosowaniem roztworu ślepej próby w kuwecie pomiarowej, przed wykonaniem pomiaru badanej próbki. 14 Przycisk 0 Pełni jedynie funkcję numeryczną. 15 Przycisk CONFIG/METH 16 Przycisk READ/ENTER 17 Przycisk dolny ze strzałką skierowaną w prawo 18 Przycisk górny ze strzałką skierowaną w lewo Używany razem z przyciskiem SHIFT do wywoływania menu układu. Bez jednoczesnego naciskania przycisku SHIFT używany do wywoływania wyboru metody z menu, rozpoczynając od metody ostatnio stosowanej. Bez przycisku SHIFT wykorzystywany także jako przycisk wyjściowy kończenia i powrotu do ostatniej, obowiązujacej metody. Używany do wprowadzania danych. Używany do przeglądania wybranego menu lub metod. Używany do przeglądania wybranego menu lub metod. 19 Przycisk SHIFT Używany do wybierania górnej (niebiesko zaznaczonej) funkcji przycisków dwufunkcyjnych. Używany także do włączania i wyłączania sygnału dźwiękowego (patrz 3.4.2). 20 Przycisk POWER Włącza i wyłącza zasilanie przyrządu.

8 21 Gniazdo REC Podłączenie do wyjścia rejestratora analogowego 0 do 1 V. 22 Gniazdo POWER Podłączenie dla eliminatora/ urządzenia ładującego baterie. 23 Gniazdo RS-232 Okno dla drukarki lub interfejsu komputera. 3. Kolejne etapy pracy z przyrządem ETAP Czynność/ Przycisk Na ekranie 1. Włączyć zasilanie I 0 2. Wybrać wprowadzony program, np: READ ENTER 3. Nastawić długość fali READ ENTER SELF-TEST V 3.0 SELF-TEST 15, METHOD #? METHOD #? 225 P 225 DIAL nm TO 522 P225 DIAL nm TO 522 mg/l CaCO 3 Mg 4. Przygotować próbkę zgodnie z instrukcją do danego ćwiczenia 5. Umieścić ślepą próbę i wcisnąć zero 6. W gnieździe umieścić przygotowaną próbkę CLEAR ZERO READ ENTER WAIT WAIT 1.00 mg/l CaCO 3 Mg