Ćw. 5 Absorpcjometria I

Transkrypt

1 Ćw. 5 Absorpcjometria I Absorpcja promieniowania elektromagnetycznego z obszaru widzialnego i nadfioletowego przez atomy i cząsteczki powoduje zmianę ich stanu elektronowego. Zjawiska te moŝna badać za pośrednictwem elektronowych widm absorpcyjnych. Metoda optyczna wykorzystująca absorpcję promieniowania elektromagnetycznego w nadfiolecie (z ang. Ultra-Violet = UV) i w zakresie widzialnym (ang. visible = Vis.) przez substancje nosi nazwę spektrofotometrii UV Vis. Jest to metoda szeroko wykorzystywana w analizie jakościowej I ilościowej związków organicznych i nieorganicznych. Dla widm optycznych sformułowano ogólne prawa absorpcji promieniowania wiąŝące wielkość absorpcji z ilością badanej substancji. Prawa absorpcji I prawo absorpcji (prawo Bouguera Lamberta). Wiązka światła monochromatycznego przy przechodzeniu przez jednorodny ośrodek absorbujący o grubości l ulega osłabieniu wg równania: I = I 0 e -k l gdzie: I 0 - natęŝenie wiązki promieniowania monochromatycznego padającego na jednorodny ośrodek absorbujący, I - natęŝenie promieniowania po przejściu przez ośrodek absorbujący, k - współczynnik absorpcji, charakterystyczny dla danej substancji przy określonej długości fali promieniowania. ZaleŜność tę wygodniej jest przedstawić w formie logarytmicznej: A = ln(i 0 /I) =k l lub: A = 1og(I 0 /I) = a l gdzie: a = 0,4343 k A zdolność pochłaniania promieniowania przez ośrodek materialny, zwana absorbancją. Obok terminu absorbancja uŝywane są takŝe inne terminy, takie jak: wartość absorpcji, ekstynkcja (E) lub gęstość optyczna. I prawo absorpcji moŝna takŝe sformułować w następujący sposób: absorbancja jest proporcjonalna do grubości warstwy absorbującej, o ile wiązka promieniowania monochromatycznego przechodzi przez jednorodny ośrodek absorbujący. Często przy określeniu ilości zaabsorbowanego promieniowania spotykamy się z wielkością określoną mianem transmitancji (T), zdefiniowanej następująco: T = I / I 0 A zatem: A = log(1/t) Wartość transmitancji podawana jest najczęściej w procentach. Wtedy: %T = I / I 0 100% II prawo absorpcji (prawo Beera). Prawo to dotyczy absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez roztwory i moŝna je sformułować w następujący sposób: w przypadku, gdy współczynnik absorpcji rozpuszczalnika 1

2 jest równy zeru, to wiązka promieniowania monochromatycznego przy przechodzeniu przez jednorodny roztwór substancji absorbującej o stęŝeniu c ulega osłabieniu według równania: I = I 0 e -k l c W formie logarytmicznej zaleŝność ta ma postać: A = ln(i 0 /I) = k l c lub: A = 1og(I 0 /I) = a l c Prawo to moŝna takŝe sformułować w ten sposób: w przypadku, gdy współczynnik absorpcji rozpuszczalnika jest równy zeru, to absorbancja wiązki promieniowania monochromatycznego przechodzącej przez jednorodny roztwór jest wprost proporcjonalna do stęŝenia roztworu c i do grubości warstwy absorbującej l. III prawo absorpcji (prawo addytywności absorpcji). Absorbancja roztworu wieloskładnikowego równa się sumie absorbancji poszczególnych składników: A = A 1 + A 2 + A A n gdzie: A 1, A 2, A 3, A n - absorbancje składników roztworu Prawo addytywności umoŝliwia analizę ilościową układów wieloskładnikowych. W równaniu na absorbancję: A = a l c wielkością jest właściwym współczynnikiem absorpcji w przypadku, gdy stęŝenie wyraŝamy w g/cm 3. Natomiast, gdy stęŝenie wyraŝone jest w molach/dm 3 równanie to przybiera postać: A = l c. Współczynnik nazywamy molowym współczynnikiem absorpcji. Wartość A za1eŝy od stęŝenia roztworu, a funkcja A = f(c) jest linią prostą, a ile roztwór spełnia prawo Beera (rys. 1). Często występują odchylenia od praw absorpcji i wówczas funkcja ta przyjmuje postać przedstawioną na rys. 2. Wielkość stęŝenia substancji, przy którym zaczynają pojawiać się odchylenia od praw absorpcji zaleŝy od natury oznaczanej substancji, stopnia monochromatyczności pochłanianego promieniowania, czułości aparatu i obecności substancji towarzyszących. Najczęściej 2

3 spotykanym odchyleniem jest tzw. odchylenie ujemne, którego przyczyną jest fakt, Ŝe ze wzrostem stęŝenia cząsteczki mogą ulegać polimeryzacji, asocjacji lub solwatacji. Aparatura Spektrofotometr Marcel Mini-2 produkcji polskiej firmy Marcel. Spektrofotometr Marcel Mini-2 Instrukcja obsługi spektrofotometru I> Pomiar widmowy - Naciśnij 1 i wybierz Zatwierdź (uruchomienie programu) - WłóŜ kuwetę z wodą destylowaną i naciśnij ZERO A - WłóŜ kuwetę z próbką i naciśnij START - Strzałkami nawigacji ustaw maksimum absorbancji i odczytaj długość fali dla maksymalnej absorbancji - Naciśnij WYDRUK i 3 ( Tabela Pomiarów ) - Z wydruku (tabeli) odczytaj ponownie długość fali dla maksymalnej wartości absorbancji - Naciśnij PROGRAM (powrót do menu) II> Pomiar stęŝenia fenoli - Naciśnij 2 i Zatwierdź - włóŝ kuwetę z wodą destylowaną i naciśnij ZERO A - włóŝ kuwetę z próbką i naciśnij KALIBRACJA, KALIBRACJA - kiedy w podświetlonym okienku pojawi się wartość zmierzonej absorbancji naciśnij 3

4 START. WłóŜ kuwetę z następną próbką i powtarzaj w/w czynność dla wszystkich 5 próbek (krzywa kalibracyjna). - Naciśnij ZATWIERDŹ, ZATWIERDŹ - WłóŜ kuwetę z próbką (analiza) i odczytaj wartość absorbancji i wyliczonego przez program stęŝenia. - Naciśnij WYDRUK -Naciśnij PROGRAM (powrót do menu) III> Pomiar stęŝenia azotynów - Naciśnij 3 i Zatwierdź - włóŝ kuwetę z wodą destylowaną i naciśnij ZERO A - włóŝ kuwetę z próbką i naciśnij KALIBRACJA, KALIBRACJA -kiedy w podświetlonym okienku pojawi się wartość zmierzonej absorbancji, naciśnij START. WłóŜ kuwetę z następną próbką i powtarzaj w/w czynność dla wszystkich 5 próbek (krzywa kalibracyjna). - Naciśnij ZATWIERDŹ, ZATWIERDŹ - WłóŜ kuwetę z próbką (analiza) i odczytaj wynik. - Naciśnij WYDRUK - Naciśnij PROGRAM (powrót do menu) Wykonanie ćwiczenia 1: Absorpcjometryczne oznaczanie azotynów w ekstrakcie z gleby. Zasada oznaczenia Azotyny w roztworze kwaśnym (ph = 2-2,5) reagują z kwasem sulfanilowym: Powstały związek dwuazoniowy ulega reakcji sprzęgania z α-naftylaminą, w wyniku czego powstaje barwnik dwuazowy o zabarwieniu czerwonofioletowym: PoniewaŜ intensywność powstałego zabarwienia jest proporcjonalna do ilości azotynów w roztworze, moŝna określić ich zawartość w nieznanej próbce przez pomiar absorbancji przy długości fali odpowiadającej maksimum absorpcji otrzymanego barwnika i odczytanie stęŝenia azotynów z krzywej wzorcowej: A = f(c). 4

5 Odczynniki roztwór azotynu sodowego zawierający 0,0001 mg/cm 3 jonów NO 2 - roztwór kwasu sulfanilowego zawierający 8 g kwasu w 1 dm 3 roztworu roztwór α-naftylaminy zawierający 0,5 g substancji w 100 cm 3 roztworu Opis czynności 1. Odmierzyć do kolbek miarowych o poj. 50 cm 3 następujące ilości wzorcowego roztworu azotynów: 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 i 16 cm Do kaŝdej kolbki dodać: 10 cm 3 wody destylowanej. 1 cm 3 roztworu kwasu sulfanilowego, odczekać 5 minut i wprowadzić 1 cm 3 α-naftylaminy, dopełnić roztwory wodą destylowaną do kreski i wymieszać. 3. Wykonać wykres zaleŝności absorbancji od długości fali ( od 420 do 600 nm) dla próbki o największym stęŝeniu. 4. Zmierzyć absorbancję poszczególnych roztworów wobec wody jako odnośnika przy długości fali, dla kt6rej absorbancja jest największa. 5. Do otrzymanego do analizy roztworu dodać 10 cm 3 wody destylowanej, 1 cm 3 roztworu kwasu sulfanilowego, odczekać 5 minut i wprowadzić 1 cm 3 α-naftylaminy, dopełnić roztwór wodą destylowaną do kreski i wymieszać. 6. Zmierzyć absorbancję badanego roztworu (grubość kuwety, długość fali światła dobrać tak dla roztworów wzorcowych). 7. Otrzymane wartości absorbancji zaznaczyć na wykresie w układzie współrzędnych: absorbancja (A) i stęŝenie N0 2 - (w mg). Wykreślić krzywą wzorcową. Z wykresu odczytać oznaczoną ilość N0 2 - (mg). Wykonanie ćwiczenia 2: Oznaczanie fenolu w wodzie. Jednym z toksycznych zanieczyszczeń wody jest fenol, który często przenika ze ścieków wielu fabryk chemicznych do wód powierzchniowych, a niekiedy i do gruntowych. Oznaczenie ilościowe tego związku w ściekach, wodach powierzchniowych, a zwłaszcza w wodzie przeznaczonej do picia jest szczególnie istotne z punktu widzenia ochrony środowiska. Wiadomo bowiem, Ŝe juŝ stęŝenie fenolu powyŝej 0,5 mmoli/dm 3 obniŝa wartość konsumpcyjną wody, a wyŝsze jego zawartości są szkodliwe dla zdrowia człowieka i często zabójcze dla fauny rzek i strumieni. Do oznaczania niskich stęŝeń fenolu w wodzie dogodne są metody fotometryczne i spektrofotometryczne. Znanych jest wiele reakcji fenolu z róŝnymi odczynnikami prowadzące do otrzymania barwnych związków. Pomiar absorbancji roztworów otrzymanych substancji barwnych prowadzi do ilościowego oznaczenia fenolu w oparciu o krzywą wzorcową. Jednym ze stosowanych często odczynników do przeprowadzenia barwnej reakcji z fenolem jest 4-aminoantypiryna. Metoda, w której wykorzystuje się ten odczynnik pozwala na oznaczenie fenolu występującego w minimalnym stęŝeniu 0,05 mmoli/dm 3. 5

6 Odczynniki: 2% wodny roztwór 4-aminoantypiryny 2 M roztwór amoniaku 1% roztwór K 3 [Fe(CN) 6 ] roztwór wzorcowy fenolu ( mol/dm 3 ) Opis czynności. 1. Przygotować serię roztworów wzorcowych. Do 5 kolbek o poj. 50 cm 3 odpipetować następujące objętości roztworu podstawowego: 3, 6, 9, 15 i 20 cm 3 (0,06; 0,12; 0,18; 0,30 i 0.40 mmo1i/dm 3 ). 2. Do kaŝdej kolbki dodać 20 cm 3 wody destylowanej, 0,3 cm 3 roztworu 4-aminoantypiryny, 1 cm 3 roztworu amoniaku i 1 cm 3 roztworu Ŝelazicyjanku potasu. Dopełnić roztwory wodą destylowaną do kreski. 3. W ten sam sposób, jak w punkcie 2, postąpić z otrzymaną do analizy próbką. 4. Po upływie 5 minut zmierzyć absorbancję roztworów wzorcowych i roztworu próbki przy długości fali 510 nm. 5. Otrzymane wartości absorbancji nanieść na wykres A = f(c). Wyznaczyć z wykresu stęŝenie analizowanej próbki i podać wynik (po przeliczeniu) w ug fenolu (masa cząsteczkowa fenolu wynosi 94). Sprawozdanie powinno zawierać wszystkie wydruki z pomiarów przeprowadzonych w tym ćwiczeniu. NaleŜy takŝe samodzielnie(w Excelu) wykreślić krzywą kalibracyjną, wyznaczyć jej równanie i uŝyć do obliczenia zawartości analitu w otrzymanej próbce. 6