Pomiary spektrofotometryczne

Transkrypt

1 Pomiary spektrofotometryczne Spektrofotometryczne metody oznaczania pierwiastków opierają się na absorpcji promieniowania widzialnego i są jednymi z najbardziej precyzyjnych metod analizy. Dawniej nazywane były oznaczeniami kolorymetrycznymi. Podstawą oznaczeń spektrofotometrycznych jest zależność między absorbancją roztworu a stężeniem substancji barwnej w roztworze. W celu spektrofotometrycznego oznaczenia pierwiastka przeprowadza się go w barwny kompleks, czasem także wykorzystuje się zabarwienie jonów samego pierwiastka. Prawie każdy pierwiastek poza gazami szlachetnymi można oznaczać spektrofotometrycznie, i to w szerokim zakresie zawartości pierwiastka w próbce: od kilkudziesięciu procent do ilości śladowych (10-8 %). Podstawą oznaczeń spektrofotometrycznych jest prawo Lamberta-Beera, które można streścić we wzorze: A = ε c l gdzie: A zmierzona absorbancja (względem czystego rozpuszczalnika), ε molowy współczynnik ekstynkcji, mol c stężenie barwnej substancji [ 3 ], dm l grubość warstwy [cm]. Dla substancji spełniających to prawo absorbancja jest liniową funkcją stężenia. Jeśli zatem dla danej substancji znamy równanie funkcji: A = f (c), możemy mierząc absorbancję roztworu wyznaczyć stężenie badanej substancji. W praktyce najczęściej mamy do czynienia z sytuacją, w której oznaczany składnik nie występuje sam, ale w obecności wielu innych jonów. Wówczas pierwszym etapem jest przygotowanie próbki tak żeby wyizolować z nich jedynie substancję oznaczaną, lub jeśli niektórych składników nie można od siebie oddzielić zamaskować te, które mogłyby przeszkadzać w pomiarze. Szczegółowe procedury znajdują się licznych opracowaniach specjalistycznych.

2 Ponieważ metody spektrofotometryczne są metodami porównawczymi (w przeciwieństwie do metod wagowych i objętościowych), pierwszym etapem oznaczenia jest zawsze przygotowanie tzw. krzywej wzorcowej. Dokładność pomiaru będzie zatem w dużej mierze wynikać z dokładności przygotowania roztworów wzorcowych. Roztwory wzorcowe dzielimy na roztwory podstawowe i roztwory robocze. Roztwory podstawowe są najczęściej bardziej stężone (zazwyczaj 1 mg/cm 3 ), przygotowuje się je w postaci roztworów wodnych, czasem z dodatkiem kwasów, jeśli rozpuszczane substancje silnie hydrolizują. Roztwory robocze uzyskuje się przez odpowiednie rozcieńczanie roztworów podstawowych. Często też roztwory robocze są roztworami w rozpuszczalnikach innych niż woda. W praktyce przygotowuje się zazwyczaj 3-6 roztworów wzorcowych. Sposób ich przygotowania jest każdorazowo podany w opisie wykonania oznaczenia. Po wykonaniu krzywej wzorcowej można na jej podstawie wyznaczyć zawartość badanej substancji w próbce następującymi metodami: metoda graficzna: na papierze milimetrowym sporządzamy wykres zależności absorbancji od stężenia, a następnie graficznie dopasowujemy prostą do zaznaczonych punktów. Następnie znając wartość absorbancji zmierzoną dla badanej próbki wyznaczamy graficznie stężenie składnika w próbce/ za pomocą obróbki komputerowej. Dane do funkcji (wartości stężeń i odpowiadające im wartości absorbancji) wprowadzamy do odpowiedniego programy (np. MS Excel), a następnie generujemy wykres zależności A = f (c). Do uzyskanych punktów dopasowujemy prostą za pomocą odpowiednich narzędzi znajdujących się w programie, a komputer podaje nam równanie dopasowanej prostej. Na podstawie równania prostej wyliczamy stężenie badanego składnika.

3 Kadm Kadm występuje w swych związkach wyłącznie jako kation kadmu(ii). W tej postaci rzadko jest jednak używany (głównie w sztuce w postaci żółcieni kadmowej, CdS). Znacznie częściej jest wykorzystywany jako składnik stopów (np. stopy łożyskowe), w reaktorach atomowych, w akumulatorach niklowo-kadmowych. Zarówno metaliczny kadm, jak i większość jego związków są silnie toksyczne. Kadm uszkadza nerki, kości, powoduje anemię, oddziałuje na układ krążenia, może powodować liczne wady genetyczne płodu (jest silnie mutagenny). W związku z powyższym należy dbać o to, by nie został uwolniony do środowiska naturalnego, a w miejscach gdzie może do tego dochodzić należy kontrolować poziom kadmu w wodzie i glebie. Podstawą spektrofotometrycznych metod oznaczania kadmu jest metoda ditizonowa. Jony kadmu(ii) tworzą z ditizonem w środowisku obojętnym do silnie zasadowego różowy ditizonian kadmu, Cd(HDz) 2 : Cd H 2 Dz Cd(HDz) H + gdzie: H 2 Dz S NH NH N N SH NH N N N który ekstrahuje się z fazy wodnej tetrachlorkiem węgla lub chloroformem. Ponieważ w naszym przypadku ekstrakcja będzie następowała z roztworu zawierającego wyłącznie jony kadmu, procedury mające na celu oddzielenie innych przeszkadzających pierwiastków oraz zamaskowanie tych, których nie da się oddzielić (wiele różnych kationów tworzy kompleksy z ditizonem) mogą być pominięte.

4 Wykonanie doświadczenia Odczynniki Ditizon, roztwór w chloroformie o stężeniu 0,002%; wzorcowy wodny roztwór soli kadmu (10 µg Cd/cm 3 ), roztwory wodorotlenku sodu o stężeniach 20% i 0,1 mol/dm 3, roztwór winianu sodowo-potasowego, chloroform Szkło i sprzęt laboratoryjny Rozdzielacze, zlewki, cylindry miarowe, kolbki miarowe o pojemności 50 cm 3, pipeta automatyczna z wymiennymi końcówkami, pipeta Mohra na 25 cm 3, szklana lub kwarcowa kuweta pomiarowa, spektrofotometr. Wykonanie Przygotowanie krzywej kalibracyjnej. 1. W celu przygotowania roztworów wzorcowych wykorzystujemy roztwór macierzysty zawierający 10 µg kadmu w 1 cm 3. Z roztworu pobieramy 1 cm 3 (za pomocą pipety automatycznej) i przenosimy do rozdzielacza. Następnie dodajemy 13 cm 3 wody, 3 cm 3 roztworu winianu sodowo-potasowego, 1 cm 3 roztworu hydroksyloaminy, a następnie 7 cm 3 20 % roztworu NaOH. Po wymieszaniu składników dodajemy 3 cm 3 roztworu ditizonu w chloroformie i wytrząsamy. Warstwa organiczna (dolna) barwi się na kolor różowy. Warstwę organiczną ostrożnie zlewamy do czystej kolbki stożkowej tak, żeby nie przelać nawet niewielkiej ilości warstwy wodnej. Do pozostałego w rozdzielaczu roztworu wodnego dodajemy następną porcję roztworu ditizonu w CHCl 3 i ponownie wytrząsamy. Po raz kolejny zlewamy warstwę organiczną do kolbki stożkowej (tej samej co poprzednio). Procedurę wytrząsania powtarzamy do momentu, gdy warstwa organiczna przestanie się zabarwiać na różowo. Warstwę wodną wylewamy do zlewu. Wszystkie zebrane frakcje organiczne przenosimy do rozdzielacza, dodajemy 20 cm 3 0,1-molowego roztworu NaOH i wytrząsamy. Warstwę organiczną przenosimy do kolbki stożkowej, warstwę wodną wylewamy do zlewu. Zebraną warstwę organiczną ponownie przelewamy do rozdzielacza i wytrząsamy z 20 cm 3 wody destylowanej. Po tej czynności

5 odczekujemy na dokładne ustabilizowanie warstw w rozdzielaczu i warstwę organiczną ostrożnie (tak by nie przelać warstwy wodnej) zlewamy do kolbki miarowej o pojemności 50 cm 3. Do rozdzielacza dodajemy kilka cm 3 chloroformu (NIE WSTRZĄSAMY!), a po ustabilizowaniu się warstw roztwór chloroformowy przelewamy do roztworu w kolbce. Uzupełniamy chloroformem do kreski miarowej. 2. Całą procedurę powtarzamy pobierając odpowiednio 2 cm 3 wzorcowego roztworu kadmu, 10 cm 3 wody i 5 cm 3 roztworu winianu. Pozostałe składniki w takich ilościach jak poprzednio. 3. Całą procedurę powtarzamy pobierając odpowiednio 3 cm 3 wzorcowego roztworu kadmu, 7 cm 3 wody i 7 cm 3 roztworu winianu. Pozostałe składniki w takich ilościach jak poprzednio. 4. Całą procedurę powtarzamy pobierając odpowiednio 4 cm 3 wzorcowego roztworu kadmu, 3 cm 3 wody i 10 cm 3 roztworu winianu. Pozostałe składniki w takich ilościach jak poprzednio. Cztery przygotowane roztwory będą roztworami bazowymi do przygotowania krzywej kalibracyjnej. Otrzymaną próbkę do analizy zawierającą sole kadmu przenosimy ilościowo przez lejek do rozdzielacza (należy używać jak najmniejszych ilości wody do przepłukania probówki). Dodajemy 10 cm 3 roztworu winianu sodowo-potasowego, 1 cm 3 roztworu hydroksyloaminy, a następnie 10 cm 3 20 % roztworu NaOH. Po wymieszaniu składników dodajemy 3 cm 3 roztworu ditizonu w chloroformie i wytrząsamy. Warstwa organiczna (dolna) barwi się na kolor różowy. Warstwę organiczną ostrożnie zlewamy do czystej kolbki stożkowej tak, żeby nie przelać nawet niewielkiej ilości warstwy wodnej). Do pozostałego w rozdzielaczu roztworu wodnego dodajemy następną porcję roztworu ditizonu w CHCl 3 i ponownie wytrząsamy. Po raz kolejny zlewamy warstwę organiczną do kolbki stożkowej (tej samej co poprzednio). Procedurę wytrząsania powtarzamy do momentu gdy warstwa organiczna przestanie się zabarwiać na różowo. Warstwę wodną wylewamy do zlewu. Wszystkie zebrane frakcje organiczne przenosimy do rozdzielacza, dodajemy 20 cm 3 0,1-molowego

6 roztworu NaOH i wytrząsamy. Warstwę organiczną przenosimy do kolbki stożkowej, warstwę wodną wylewamy do zlewu. Zebraną warstwę organiczną ponownie przelewamy do rozdzielacza i wytrząsamy z 20 cm 3 wody. Po tej czynności odczekujemy na dokładne ustabilizowanie warstw w rozdzielaczu i warstwę organiczną ostrożnie zlewamy do kolbki miarowej o pojemności 50 cm 3. Do rozdzielacza dodajemy kilka cm 3 chloroformu (NIE WSTRZĄSAMY!). Po ustabilizowaniu się warstw roztwór chloroformowy dodajemy do roztworu w kolbce. Uzupełniamy chloroformem do kreski miarowej. Kuwetę pomiarową napełniamy roztworem bazowym i mierzymy absorbancję przy długości fali 520 nm wobec chloroformu jako odnośnika. Pomiar powtarzamy dla wszystkich roztworów bazowych i roztworu badanego. Środki ostrożności Związki kadmu są toksyczne, rakotwórcze i mutagenne unikać kontaktu z roztworem soli kadmu, używać rękawiczek ochronnych. Chloroform działa drażniąco na skórę i oczy, jest podejrzewany o działanie rakotwórcze pracować pod digestorium. Postępowanie z odpadami Wszystkie roztwory chloroformowe umieścić w butelce na zlewki chloroformu. Całe szkło laboratoryjne wypłukać jeden raz acetonem, acetonowe popłuczyny gromadzić w naczyniu na zlewki acetonu. Całe szkło umyć wodą z detergentem UWAGA: kolbki miarowe należy myć wyłącznie z zimnej wodzie (niebezpieczeństwo rozkalibrowania). Opracowanie wyników: Na podstawie zmierzonych wartości absorbancji dla poszczególnych roztworów bazowych sporządzamy wykres zależności absorbancji od zawartości kadmu: A = f (m Cd ) wykres ten jest krzywą kalibracyjną. Na osi x zaznaczamy ilość kadmu (w [µg]) w poszczególnych roztworach bazowych, na osi y zmierzone wartości absorbancji.

7 Jeśli wykres sporządzony został na papierze milimetrowym ręcznie (za pomocą linijki) dopasowujemy prostą do punktów na wykresie linia ta nie musi przechodzić dokładnie przez wszystkie punkty, należy ją dopasować tak żeby przechodziła jak najbliżej jak największej liczby punktów. Następnie na osi y zaznaczamy wartość absorbancji zmierzoną dla otrzymanej próbki, i wykorzystując dopasowaną prostą sprawdzamy jakiej wartości na osi x odpowiada zmierzona wartość absorbancji. Odczytana wartość jest zawartością kadmu w badanej próbce. Jeśli wykres sporządzony został za pomocą odpowiedniego programu komputerowego (np. MS Excel), wybieramy dla punktów krzywej kalibracyjnej opcję dopasowania prostej. Program podaję nam wzór funkcji typu: y = a x + b, gdzie y to absorbancja, zaś x zawartość kadmu w µg. Podstawiając wartość absorbancji zmierzoną dla próbki badanej do uzyskanego wzoru otrzymamy zawartość rtęci w próbce. Rtęć Zarówno rtęć metaliczna jak i związki rtęci są toksyczne, w przypadku związków rozpuszczalnych w wodzie ich spożycie może grozić śmiercią. Rtęć metaliczna jest metalem szlachetnym i nie reaguje ani z tlenem ani z wodą. Jednak będąc jedynym ciekłym metalem w stanie wolnym, jej prężność par jest na tyle duża, że w zawartość rtęci w powietrzu w pomieszczeniu, w którym się znajduje w otwartym naczyniu wielokrotnie przekracza wartości bezpieczne. Rtęć może wywoływać zarówno zatrucia ostre, prowadzące najczęściej do śmierci, jak i znacznie częściej występujące zatrucia chroniczne. Rtęć metaliczna w środowisku naturalnym jest przekształcana przez mikroorganizmy w dimetylortęć, substancję dużo bardziej niebezpieczną i doskonale wchłaniającą się zarówno przez błony śluzowe jaki i skórę (jest dobrze rozpuszczalna w tłuszczach). Mimo tych wszystkich wad, rtęć i jej związki są stosowane w przemyśle i codziennym życiu. Rtęć metaliczna jest wykorzystywana przy produkcji świetlówek i żarówek energooszczędnych (w każdej świetlówce znajduje się ok. 1 mg rtęci! ). Dzisiaj rzadko jest wprawdzie używana w domowych termometrach, czy też w stopach dentystycznych, ale nadal używa się jej w termometrach laboratoryjnych, manometrach

8 i barometrach. Rtęci nadal używa się przy wydobyciu, głównie złota, z piasków i skał złotonośnych. Związki rtęci nadal są używane, między innymi w spłonkach i detonatorach, jako katalizator w syntezie aldehydu octowego czy jako środki ochrony roślin. W związku z tym istnieje konieczność kontrolowania zawartości rtęci w środowisku naturalnym, szczególnie w okolicach zakładów, które w trakcie produkcji używają tego pierwiastka lub jego związków (słynna sprawa Minamata w Japonii). Podstawą spektrofotometrycznych metod oznaczania rtęci jest metoda ditizonowa. Jony rtęci(ii) tworzą z ditizonem w środowisku kwasowym wobec nadmiaru ditizonu pomarańczowo-żółty ditizonian rtęci, Hg(HDz) 2 : Hg H 2 Dz Cd(HDz) H + gdzie: H 2 Dz S NH NH N N SH NH N N N który ekstrahuje się z fazy wodnej tetrachlorkiem węgla lub chloroformem. Ponieważ w naszym przypadku ekstrakcja będzie następowała z roztworu zawierającego wyłącznie jony rtęci(ii), procedury mające na celu oddzielenie innych przeszkadzających pierwiastków oraz zamaskowanie tych których nie da się oddzielić (wiele różnych kationów tworzy kompleksy z ditizonem) mogą być pominięte.

9 Wykonanie doświadczenia Odczynniki Ditizon, roztwór w chloroformie o stężeniu 0,001%; wzorcowy wodny roztwór soli rtęci(ii) (10 µg Hg/cm 3 ); roztwór kwasu octowego o stężeniu 2 mol/dm 3 ; stężony (25%) roztwór amoniaku, stężony (65%) kwas azotowy(v), chloroform Szkło i sprzęt laboratoryjny Rozdzielacze, zlewki, cylindry miarowe, kolbki miarowe o pojemności 50 cm 3, pipeta automatyczna z wymiennymi końcówkami, pipeta Mohra na 25 cm 3, szklana lub kwarcowa kuweta pomiarowa, spektrofotometr. Wykonanie Przygotowanie krzywej kalibracyjnej. 1. W celu przygotowania roztworów wzorcowych wykorzystujemy roztwór macierzysty zawierający 10 µg rtęci w 1 cm 3. Z roztworu pobieramy 1 cm 3 (za pomocą pipety automatycznej) i przenosimy do rozdzielacza. Następnie dodajemy 9 cm 3 wody i 0,5 cm 3 stężonego kwasu azotowego(v). Po wymieszaniu składników dodajemy 3 cm 3 roztworu ditizonu w chloroformie i wytrząsamy. Warstwa organiczna (dolna) powinna zabarwić się na kolor pomarańczowo-żółty. Warstwę organiczną ostrożnie zlewamy do czystej kolbki stożkowej tak, żeby nie przelać nawet niewielkiej ilości warstwy wodnej. Do pozostałego w rozdzielaczu roztworu wodnego dodajemy następną porcję roztworu ditizonu w CHCl 3 i ponownie wytrząsamy. Po raz kolejny zlewamy warstwę organiczną do kolbki stożkowej (tej samej co poprzednio). Procedurę wytrząsania powtarzamy do momentu gdy warstwa organiczna będzie zachowywać kolor zielony. Warstwę wodną wylewamy do zlewu. Wszystkie zebrane frakcje organiczne przenosimy do rozdzielacza, dodajemy 25 cm 3 wody z dodatkiem 5 kropli stężonego roztworu amoniaku i wytrząsamy. Warstwę organiczną przenosimy do kolbki stożkowej, warstwę wodną wylewamy do zlewu. Zebraną warstwę organiczną ponownie przelewamy do rozdzielacza

10 i wytrząsamy z 20 cm 3 kwasu octowego. Po tej czynności odczekujemy na dokładne ustabilizowanie warstw w rozdzielaczu i warstwę organiczną ostrożnie (tak by nie przelać warstwy wodnej) zlewamy do kolbki miarowej o pojemności 50 cm 3. Do rozdzielacza dodajemy kilka cm 3 chloroformu (NIE WSTRZĄSAMY!), a po ustabilizowaniu się warstw roztwór chloroformowy dodajemy do roztworu w kolbce. Uzupełniamy chloroformem do kreski miarowej. 2. Całą procedurę powtarzamy pobierając odpowiednio 2 cm 3 wzorcowego roztworu rtęci i 8 cm 3 wody. Pozostałe składniki w takich ilościach jak poprzednio. 3. Całą procedurę powtarzamy pobierając odpowiednio 3 cm 3 wzorcowego roztworu rtęci i 7 cm 3 wody. Pozostałe składniki w takich ilościach jak poprzednio. 4. Całą procedurę powtarzamy pobierając odpowiednio 4 cm 3 wzorcowego roztworu rtęci i 6 cm 3 wody. Pozostałe składniki w takich ilościach jak poprzednio. Cztery przygotowane roztwory będą roztworami bazowymi do przygotowania krzywej kalibracyjnej. Otrzymaną próbkę do analizy zawierającą sole rtęci przenosimy ilościowo przez lejek do rozdzielacza (należy używać jak najmniejszych ilości wody do przepłukania probówki). Następnie dodajemy 0,5 cm 3 stężonego kwasu azotowego(v). Po wymieszaniu składników dodajemy 3 cm 3 roztworu ditizonu w chloroformie i wytrząsamy. Warstwa organiczna (dolna) powinna zabarwić się na kolor pomarańczowo-żółty. Warstwę organiczną ostrożnie zlewamy do czystej kolbki stożkowej tak, żeby nie przelać nawet niewielkiej ilości warstwy wodnej. Do pozostałego w rozdzielaczu roztworu wodnego dodajemy następną porcję roztworu ditizonu w CHCl 3 i ponownie wytrząsamy. Po raz kolejny zlewamy warstwę organiczną do kolbki stożkowej (tej samej co poprzednio). Procedurę wytrząsania powtarzamy do momentu gdy warstwa organiczna będzie zachowywać kolor zielony. Warstwę wodną wylewamy do zlewu. Wszystkie zebrane frakcje organiczne

11 przenosimy do rozdzielacza, dodajemy 25 cm 3 wody z dodatkiem 5 kropli stężonego roztworu amoniaku i wytrząsamy. Warstwę organiczną przenosimy do kolbki stożkowej, warstwę wodną wylewamy do zlewu. Zebraną warstwę organiczną ponownie przelewamy do rozdzielacza i wytrząsamy z 20 cm 3 kwasu octowego. Po tej czynności odczekujemy na dokładne ustabilizowanie warstw w rozdzielaczu i warstwę organiczną ostrożnie (tak by nie przelać warstwy wodnej) zlewamy do kolbki miarowej o pojemności 50 cm 3. Do rozdzielacza dodajemy kilka cm 3 chloroformu (NIE WSTRZĄSAMY!), a po ustabilizowaniu się warstw roztwór chloroformowy dodajemy do roztworu w kolbce. Uzupełniamy chloroformem do kreski miarowej. Kuwetę pomiarową napełniamy roztworem bazowym i mierzymy absorbancję przy długości fali 485 nm wobec chloroformu jako odnośnika. Pomiar powtarzamy dla wszystkich roztworów bazowych i roztworu badanego. Środki ostrożności Związki rtęci są bardzo toksyczne (ich spożycie grozi śmiercią) unikać kontaktu z roztworem soli rtęci, używać rękawiczek ochronnych. Chloroform działa drażniąco na skórę i oczy, jest podejrzewany o działanie rakotwórcze pracować pod digestorium. Postępowanie z odpadami Wszystkie roztwory chloroformowe umieścić w butelce na zlewki chloroformu. Całe szkło laboratoryjne wypłukać jeden raz acetonem, acetonowe popłuczyny gromadzić w naczyniu na zlewki acetonu. Całe szkło umyć wodą z detergentem UWAGA: kolbki miarowe należy myć wyłącznie z zimnej wodzie (niebezpieczeństwo rozkalibrowania). Opracowanie wyników: Na podstawie zmierzonych wartości absorbancji dla poszczególnych roztworów bazowych sporządzamy wykres zależności absorbancji od zawartości rtęci: A = f (m Hg ) wykres ten jest krzywą kalibracyjną. Na osi x zaznaczamy ilość rtęci (w [µg])

12 w poszczególnych roztworach bazowych, na osi y zmierzone wartości absorbancji. Jeśli wykres sporządzony został na papierze milimetrowym ręcznie (za pomocą linijki) dopasowujemy prostą do punktów na wykresie linia ta nie musi przechodzić dokładnie przez wszystkie punkty, należy ją dopasować tak żeby przechodziła jak najbliżej jak największej liczby punktów. Następnie na osi y zaznaczamy wartość absorbancji zmierzoną dla otrzymanej próbki, i wykorzystując dopasowaną prostą sprawdzamy jakiej wartości na osi x odpowiada zmierzona wartość. Odczytana wartość jest zawartością rtęci w badanej próbce. Jeśli wykres sporządzony został za pomocą odpowiedniego programu komputerowego (np. MS Excel), wybieramy dla punktów krzywej kalibracyjnej opcję dopasowania prostej. Program podaję nam wzór funkcji typu: y = a x + b, gdzie y to absorbancja, zaś x zawartość rtęci w µg. Podstawiając wartość absorbancji zmierzoną dla próbki badanej do uzyskanego wzoru otrzymamy zawartość rtęci w próbce.