ĆWICZENIE 11 ANALIZA INSTRUMENTALNA KOLORYMETRIA - OZNACZANIE Cr(VI) METODĄ DIFENYLOKARBAZYDOWĄ DZIAŁ: Kolorymetria ZAGADNIENIA Elektronowe widmo absorpcyjne; rodzaje przejść elektronowych w kompleksach metali d- elektronowych; szereg spektrochemiczny; Prawa absorpcji I; II;III; ograniczenia w stosowaniu prawa Lamberta-Beera; schemat blokowy spektrofotometru UV-VIS; budowa poszczególnych części spektrofotometru, analityczna długość fali; zastosowanie spektrofotometrii UV-VIS w analizie jakościowej i ilościowej; metoda krzywej kalibracyjnej LITERATURA Walenty Szczepaniak Metody instrumentalne w analizie chemicznej; PWN, W-wa 2002 I. WSTĘP I CEL ĆWICZENIA Przykłady związków chromu na +6 stopniu utlenienia to: Tlenek chromu (VI) (tritlenek chromu) CrO 3 ; Dichromiany(VI) - sole kwasu dichromowego(vi) H 2 Cr 2 O 7; K 2 Cr 2 O 7. Jony chromianowe (VI) powstają w środowisku lekko zasadowym, a jony dichromianowe w środowisku kwaśnym. Jony dichromianowe(vi) mogą przechodzić w jony chromianowe(vi) i odwrotnie. Chromiany mają silne właściwości utleniające, szczególnie w roztworach zakwaszonych. Chrom ze stopnia utlenienia VI redukuje się do chromu III. Tlenek chromu(vi) ma charakter kwasowy. Rozpuszcza się w wodzie tworząc kwas chromowy(vi) żółty lub pomarańczowy kwas dichromowy(vi). Oba nie istnieją w stanie wolnym. Ich sole to chromiany (środowisko OH - ) i dichromiany (środowisko H 3 O + ) Związki chromu(vi) są utleniaczami. Chrom w środowisku może się pojawić głównie w wyniku zanieczyszczenia powietrza. Związki chromu (VI) są bardziej toksyczne od związków chromu (III). Te pierwsze występujące w powietrzu w wysokich stężeniach mogą powodować podrażnienie błon śluzowych nosa (częste krwawienia), płuc, żołądka i jelit. Narażenie na chrom w pokarmie może powodować chorobę wrzodową żołądka, uszkodzenia wątroby i nerek. Prowadzić do zaburzeń płodności i podczas ciąży. Związki chromu (VI) są Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka Strona 1
rakotwórcze powodują na ogół raka płuc u pracowników narażonych na kontakt z tymi substancjami. Maksymalne dopuszczalne stężenia: Powietrze - chrom(ii) i chrom(iii) 500 μg/m 3, chrom (VI) 1 μg /m 3. Zalecana dzienna dawka w pożywieniu Cr 3+ wynosi 50-200 μg. NAJWYŻSZE DOPUSZCZALNE WARTOŚCI Cr 6+ W ŚCIEKACH: Chrom+6 0,5 mg Cr/l dotyczy przemysłu ciepłowniczego Chrom+6 0,1 mg Cr/l dotyczy pozostałych rodzajów ścieków Chrom+6 0,05 mg Cr/l dotyczy ścieków z przemysłu garbarskiego. DOPUSZCZALNA ZAWARTOŚĆ Cr W GLEBACH W WARSTWIE 0-30 CM Zawartość w glebach bardzo lekkich lekkich średnich ciężkich Cr[mg/kg suchej masy] 30 50 75 100 ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA z dnia 24 lipca 2006 r.w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzani ścieków do wód lub do ziemi,oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego(dz. U. z dnia 31 lipca 2006 r.) METODA DIFENYLOKARBAZYDOWA: Podstawą czułej kolorymetrycznej metody oznaczania chromu jest reakcja Cr(VI) z difenylokarbazydem. Reakcja przebiega w środowisku kwaśnym z wytworzeniem zabarwionego fiołkowo, elektrododatniego kompleksu Cr 3+ z difenylokarbazonem. Za pomoc ą tej metody można oznaczyć jony Cr 3+, po uprzednim utlenieniu ich do Cr(VI). Utlenienie przeprowadza się w środowisku kwaśnym za pomocą KMnO 4. w obecności jonów srebra. Nadmiar utleniacza rozkłada się azydkiem sodowym. Metoda ta jest uznawana za specyficzną dla Cr(VI). Molowy współczynnik absorpcji ε dla kompleksu wynosi 41 700 dm 3 /mol cm dla dł. fali λ anal. = 546nm. METODA KRZYWEJ KALIBRACYJNEJ (metoda wzorca zewnętrznego, krzywa wzorcowa) Opiera się na wyznaczeniu krzywej kalibracyjnej przedstawioną funkcja y = a x +b Y wielkość mierzona (w tym przypadku Absorbancja) x- stężenie analitu, stężenie substancji wzorcowej a nachylenie krzywej, współczynnik kierunkowy prostej b wyraz wolny, wielkość stała, wielkość ślepej próby Przygotowujemy serię roztworów o wzrastających stężeniach tak jak podano powyżej w opisie ćwiczenia i dla każdego roztworu mierzymy absorbancję A. Następnie wykreślamy wykres zależności absorbancji od stężenia. Mając wykreśloną powyższą zależność A=f(c) będącą krzywą kalibracyjną możemy przystąpić do właściwego oznaczania badanej próbki mierząc jej absorbancję i na podstawie krzywej kalibracyjnej odczytać stężenie badanej próbki. Celem ćwiczenia jest ilościowe oznaczenie Cr(VI) w roztworze próbki wody otrzymanej do Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka Strona 2
analizy. Oznaczenie zawartości chromu (VI) w analizowanej próbce na podstawie krzywej wzorcowej metodą spektrofotometryczną (kolorymetryczną) w zakresie światła widzialnego (VIS). W ćwiczeniu student pracuje na spektrofotometrze Spekol 11, który jest spektrofotometrem jednowiązkowym. Za pomocą tego typu spektrofotometru mierzymy absorbancję roztworów w zakresie promieniowania 330 800 nm. ZASADA WYKONYWANIA POMIAROW NA SPEKTROFOTOMETRZE Spekol 11 (firmy Zeiss) Pomiaru za pomocą spektrofotometru dokonujemy w następujący sposób. Po włączeniu przyrządu (wciskamy przycisk zasilania włącznik/wyłącznik), wtedy migają trzy zielone diody. Chcąc dokonać pomiaru absorbancji wybieramy z klawiatury przycisk E. Umieszczamy kuwety w wózku przeznaczonym do wstawiania kuwet. Pierwsza kuweta (z lewej strony wózka) zawiera odnośnik (ciecz wzorcową najczęściej wodę destylowaną), a w drugiej kuwecie umieszczamy badany roztwór. Ustawiamy przy pomocy śruby odpowiednią długość fali. Przesuwamy w pole widzenia fotoogniwa (detektora) odnośnik i przyciskamy przycisk do zerowania oznaczony literką R. W momencie, gdy na wyświetlaczu (ekranie) pojawi się wartość zero przesuwamy w taki sposób wózek z kuwetami, aby w polu widzenia detektora znalazła się kuweta z badanym roztworem i odczytujemy na ekranie wartość absorbancji badanego roztworu. Rys.1 Schemat budowy spektrofotometru SPEKOL 11 (firmy Zeiss) [źródło: J.Szołkowska-Malińska, A. Matłoka;Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej dla studentów studiów inżynierskich o kierunku ochrona środowiska; Wyd. PWSZ w Gnieźnie (2010)] Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka Strona 3
II. SPRZĘT I ODCZYNNIKI: - roztwór podstawowy Cr(VI) rozpuścić w wodzie destylowanej 0,0283g dwuchromianu potasu wysuszonego w temp. 140 C i rozcieńczyć wodą w kolbie miarowej do obj. 1 l (1ml tego roztworu zawiera 0,01mg Cr(VI)). - difenylokarbazyd (świeżo przygotowany) 0,25% roztwór w acetonie. Rozpuścić 0,25g odczynnika w 100 ml acetonu z dodatkiem 1 ml H 2 SO 4 (1+9) - r. H 2 SO 4 o stężeniu 0,05 mol/l - spektrofotometr SPEKOL 11(firmy Zeiss) - kuwety szklane o grubości 1cm - kolbki miarowe poj. 50 ml 12szt. - pipeta wielomiarowa poj. 5ml 2szt. - pipeta wielomiarowa poj. 1ml - tryskawka III. METODYKA: 1). Przygotować roztwory wzorcowe Cr(VI): do sześciu kolbek miarowych poj. 50 ml odmierzając pipeta podstawowego roztworu Cr(VI) 0,0 ml (ślepa próba); 1,0 ml; 2,0 ml; 2,5ml; 3,0ml; 4,0ml. Do każdej kolbki dodać 1ml roztworu difenylokarbazydu, dopełnić roztwór do kreski kwasem siarkowym 0,05 mol/l i wymieszać. Tak przygotowane roztwory wzorcowe zawierają: 0,0; 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8 µg/ml Cr(VI) 2). zmierzyć absorbancję A roztworów wzorcowych przy dł. fali λ anal. = 546nm, stosując ślepą próbę jako odnośnik. 3). Z otrzymanego do analizy roztworu Cr(VI) o nieznanym stężeniu pobrać do kolbek o poj. 50ml 12 równych prób (np. 2,5 ml), następnie dodać 1ml roztwór difenylokarbazydu i dopełnić roztwór do kreski kwasem siarkowym o stężeniu 0,05 mol/l i wymieszać. 4). w warunkach podanych dla roztworów wzorcowych zmierzyć absorbancję prób badanych i wzorcowych dwa razy. 5).Wyniki zestawić w tabeli A. Krzywa wzorcowa C Cr(VI) µg/ml 0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 I serii pomiarów II serii pomiarów Średnia λ anal. = 546nm Numer badanej próbki I II B. Wyniki analizowanej próbki I serii pomiarów II serii pomiarów Średnia λ anal. = 546nm C Cr(VI) µg/ml Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka Strona 4
II IV V VI VII VIII IX X XI XII OPRACOWANIE WYNIKÓW: 1). Wykreślić krzywą kalibracyjną jako zależność absorbancji od stężenia chromu A = f(c) na papierze milimetrowym lub zrobić w programie komputerowym Excel; wykreślić krzywą regresji liniowej dla równania prostej y=a x+b 2). Obliczyć wartość Absorbancji dla 12 wyników; 8 wyników; 4 wyników próbki badanej. 3). Następnie z wartości średniej absorbancji dla badanej próbki stosując metodę krzywej wzorcowej obliczyć zawartość Cr(VI) w analizowanej próbce µg/ml. 4). Dla powyższych wartości z krzywej wzorcowej odczytać stężenie 5). Obliczyć odchylenie standardowe S (zwane średnim błędem kwadratowym, błędem standardowym) z wartości absorbancji dla 12 wyników, 8 wyników i 4 wyników Zestawiają: Zawartość Cr(VI) w wodzie; C śr dla 12 wyników C śr12 Cr(VI) ± S = [µg/ml] Zawartość Cr(VI) w wodzie; C śr dla 8 wyników C śr8 Cr(VI) ± S =.. [µg/ml] Zawartość Cr(VI) w wodzie; C śr dla 4 wyników C śr4 Cr(VI) ± S =.. [µg/ml] 2 ( xi xśred ) S n 1 IV. WNIOSKI Sformułować wnioski na podstawie wyników z przeprowadzonego doświadczenia i porównać z dopuszczalnymi normami zawartości chromu(vi) w wodach powierzchniowych (jeziorach), ściekach przemysłowych na podstawie źródeł zawartych w literaturze. Jak ilość oznaczen wpływa na wartość odchylenia standardowego? Ćwiczenia laboratoryjne z chemii analitycznej i instrumentalnej; oprac.; prowadzący: dr Agnieszka Matłoka Strona 5