KOLORYMETRYCZNE OZNACZANE Cd, Mn i Ni nstrukcja do ćwiczeń opracowana w Katedrze Chemii Środowiska Uniwersytetu Łódzkiego. l. WSTĘP 1.1. Spektrofotometria w zakresie nadfioletu (UV) i promieniowania widzialnego (Vis) czyli spektrofotometria UV-Vis jest jedną z najstarszych metod instrumentalnych w analizie chemicznej. Spektrofotometrycznie można oznaczać wszystkie metale i niemetale do ilości śladowych. Oznaczane pierwiastki przeprowadza się w barwne postacie, najczęściej w wyniku reakcji kompleksowania. Metodą spektrofotometrii VS można też oznaczać liczne substancje organiczne, wykorzystując albo ich własne zabarwienie, albo barwne produkty reakcji z ich udziałem. Spektrofotometria jest metodą najbardziej chemiczną wśród metod instrumentalnych. Promieniowanie elektromagnetyczne można zdefiniować jako postać energii występującą w formie fal, czyli rozchodzących się z prędkością 3 10 5 km/s periodycznych zmian pola elektrycznego i magnetycznego. Falowy charakter promieniowania elektromagnetycznego określają liczbowo następujące wielkości: λ - długość fali [nm, μm], ν- częstość drgań [Hz; 1Hz = l cykl/s]. Promieniowanie elektromagnetyczne poza charakterem falowym przejawia także charakter korpuskulamy, a więc wiązkę promieniowania, można określić też jako zbiór kwantów (porcji) energii biegnących w kierunku rozchodzenia się promieniowania. Energia E pojedynczego kwantu (fotonu) promieniowania określona przez Pianka, wiąże się z podanymi uprzednio wielkościami charakteryzującymi falę elektromagnetyczną równaniem: E h ν h c λ gdzie: h - stała Planka (6,6 10-34 J s), c - prędkość światła (3 10 5 km/s). Jeżeli promieniowanie elektromagnetyczne pada na roztwór związku chemicznego, to może wystąpić zjawisko zaabsorbowania części tego promieniowania przez roztwór badany. Jeżeli obserwuje się tzw. widmo absorpcji czyli zależność zmian absorbancji od długości fali światła padającego na roztwór pochłaniający, stwierdzić można występowanie charakterystycznych maksimów absorpcji, odpowiadających cząsteczkom lub ugrupowaniom atomów w cząsteczkach. W zakresie nadfioletu i światła widzialnego efekty absorpcyjne występują w tych
związkach organicznych, w których występują ugrupowania atomów z zawierającymi ruchliwe elektrony π, wiązaniami wielokrotnymi. Ugrupowania te noszą nazwę chromoforowych. Przykładem takich grup są: grupa nitrowa, grupa azowa N=N, nitrozowa N=O, pierścień benzoesowy, naftalenowy, parachinoidowy. Wzrost liczby grup chromoforowych w cząsteczce związku pogłębia barwę, przesuwając maksimum absorpcji w kierunku fal dłuższych. Zjawisko takie nazywa się przesunięciem lub efektem batochromowym. Przesunięcie odwrotne w kierunku fal krótszych, to podwyższenie barwy - efekt hipsochromowy. 1.. PRAWA ABSORPCJ W celu wykorzystania zjawiska absorpcji promieniowania w analizie chemicznej trzeba poznać zależność pomiędzy stężeniem substancji w roztworze oraz grubością warstwy roztworu badanej substancji a ilością promieniowania zaabsorbowanego przez ten roztwór. Prawo absorpcji (prawo Lamberta) Wiązka promieniowania monochromatycznego po przejściu przez jednorodny ośrodek absorbujący o grubości b ulega osłabieniu wg równania: 0 e kb w którym 0 oznacza natężenie wiązki promieniowania monochromatycznego padającego na jednorodny ośrodek absorbujący, - natężenie promieniowania po przejściu przez ośrodek absorbujący, b - grubość warstwy absorbującej, k - współczynnik absorpcji, e -podstawę logarytmów naturalnych. Stąd: 0 ln kb A lub 0 A log ab gdzie: a = 0,4343k, A - zdolność pochłaniania promieniowania zwana absorbancją. prawo absorpcji można zatem sformułować w sposób następujący: Absorbancja jest proporcjonalna do grubości warstwy absorbującej, jeśli wiązka promieniowania monochromatycznego przechodzi przez jednorodny ośrodek absorbujący. nną wielkością stosowaną do określania absorpcji promieniowania jest transmitacja T określana jako:
T 0 A zatem: A 1 log T Transmitację podajemy najczęściej w procentach, stąd: % T 100 100T 0 lub A 100 log % T Prawo absorpcji (prawo Lamberta-Beera) Prawo to dotyczy absorpcji promieniowania.przez roztwory i można je sformułować w następujący sposób: jeśli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika jest równy zeru, to wiązka promieniowania monochromatycznego, po przejściu przez jednorodny roztwór substancji absorbującej o stężeniu c, ulega osłabieniu według równania: 0 e kb Stąd, po przekształceniach jak wyżej, można zapisać: log A 0 abc Prawo to można sformułować w sposób następujący: Jeżeli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika jest równy zeru, to absorbancja wiązki promieniowania monochromatycznego przechodzącej przez jednorodny roztwór jest wprost proporcjonalna do stężenia roztworu c i do grubości warstwy absorbującej b. Prawo absorpcji (prawo addytywności absorpcji) Absorbancja roztworu -wieloskładnikowego równa się sumie absorbancji poszczególnych składników: A = A 1 + A +... + A n gdzie: A 1. A,... A n są to absorbancje poszczególnych składników. W równaniu: A = a c b wielkość a jest właściwym współczynnikiem absorpcji, gdy stężenie wyrażamy w kg dm -3 lub g cm -3 Natomiast, gdy stężenie c wyrażamy w nmol dm -3, równanie to przybiera postać: A = ε c b gdzie ε jest to molowy współczynnik absorpcji, a jego wymiar podawany jest dwojako: [dm -3 mol -1 cm -1 ] lub w jednostkach S [m mol]. Funkcja A = f(c) jest linią prostą, jeżeli roztwór spełnia prawo absorpcji (rys. l).
Natomiast ε jest wartością stałą dla danego chromoforu, a jego wartość nie zależy od stężenia roztworu c. Funkcja ε = f(c) jest linią prostą równoległą do osi odciętych (rys. ). Rys. 1. Wykres zależności A=f(c). Rys.. Wykres zależności molowego współczynnika absorpcji od stężenia. Wartość absorbancji A i wartość molowego współczynnika absorpcji ε zależy od długości fali λ promieniowania padającego. Wykres zależności A lub ε od długości fali λ określa się mianem krzywej absorpcji lub elektronowym widmem absorpcyjnym (rys. 3). Rys. 3. Elektronowe widmo absorpcyjne fenantrenu (1) i azobenzenu (). 1.3. ODCHYLENA OD PRAW ABSORPCJ W myśl prawa absorpcji zależność absorbancji od stężenia powinna mieć charakter liniowy. Jednak w praktyce należy liczyć się z odstępstwami od takiej zależności. Spotykamy się zarówno z ujemnymi, jak i z dodatnimi odchyleniami od praw absorpcji (rys. 4).
Rys. 4. Odchylenia od praw absorpcji w roztworach alkoholu benzylowego przy równych stężeniach i różnych długościach fali. Odchylenia od prawa Beera mogą być odchyleniami pozornymi lub rzeczywistymi. Powodem odchyleń pozornych są czynniki fizyczne, związane ze stosowaną aparaturą pomiarową, np. niemonochromatyczność promieniowania czyli nieliniowa charakterystyka elementu światłoczułego. Rzeczywiste odchylenia od prawa Beera spowodowane są przyczynami chemicznymi, takimi jak przebiegającymi w roztworze analizowanym reakcjami polimeryzacji, kondensacji czy hydrolizy. Wpływem hydrolizy tłumaczyć można na przykład niestosowanie się do prawa Beera nie zbufbrowanych wodnych roztworów chromianów i dwuchromianów. W roztworach wodnych pomiędzy jonami dwuchromianu i chromianu ustala się równowaga, którą można zapisać równaniem: Cr O 7 H O CrO 4 H Zgodnie z powyższym zapisem, w środowisku silnie kwaśnym jony chromianowe przejdą całkowicie w dwuchromianowe, a w środowisku silnie zasadowym występować będą tylko jony chromianowe. W roztworach dobrze zbuforowanych stosunek stężeń chromianu i dwuchromianu jest stały i wyznaczony przez stałą równowagi podanej powyżej reakcji hydrolizy oraz ph buforu. [CrO 4 ] [Cr O ] 7 [H ] [H O] K [CrO 4 ] [Cr O ] 7 [H O] K const. [H ] W roztworze nie zbuforowanym stosunki stężeń wszystkich jonów związane są z wielkością stałej równowagi K. Ponadto odchylenia od praw mogą być wywołane przez ich, podstawowe ograniczenia. a) Prawa absorpcji są spełnione dla roztworów rozcieńczonych (c < 10 - mol/dm 3 ), gdyż w tych przypadkach molowy współczynnik absorpcji e nie zależy od współczynnika załamania światła n.
b) W przypadku prawa absorpcji zakłada się, że jedynym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z substancją rozpuszczoną jest absorpcja promieniowania w myśl równań: X + hv X* X* X + ciepło Jednakże przejście wzbudzonej cząsteczki X* do stanu podstawowego X jest możliwe także na innej drodze, a mianowicie z udziałem emisji kwantu, czyli fluorescencji, w myśl równania: X* X + ciepło + hv gdzie v oznacza częstość promieniowania emitowanego w wyniku fluorescencji. W takim przypadku transmitacja będzie podwyższona, czyli pozorna absorbancja będzie niższa od rzeczywistej.. ZASADA OZNACZENA a) KADM Dużą toksyczność kadmu stwierdzono stosunkowo niedawno. W organizmie człowieka kadm kumuluje się przede wszystkim wątrobie nerkach, gdzie wiąże się silnie na całe lata (około 10 lat) z niskocząsteczkowym białkiem, metalotioneiną. Wydalanie następuje przez nerki i jelita. Obecność kadmu blokuje fosfatazy i enzymy zawierające grupy sulfhydrylowe, zakłóca przemianę witaminy B 1, powoduje niedokrwistość. Ostre zatrucia mogą wystąpić już po pochłonięciu przez organizm kilku mg Cd. DTZON (difenylotiokarbazon) ceglastoczerwony kompleks b) NKEL Związki niklu są utleniane do Ni() (bromem) i następnie oznaczane fotometrycznie w środowisku alkalicznym jako kompleks z diacetylodioksymem. Schemat reakcji można przedstawić w następujący sposób.
DACETYLODOKSYM CZERWONY KOMPLEKS c) MANGAN Jony manganu reagują w środowisku alkalicznym z formaldoksymem tworząc pomarańczowo - czerwony kompleks. 3. ODCZYNNK NANAKOLOR KADM (nr kat. 9513) NANAKOLOR MANGAN (nr kat. 91860) NANAKOLOR NKEL (nr kat. 918 6) Wymagane środki ostrożności W trakcie wykonywania ćwiczenia student powinien nosić odzież ochronną. Roztworów nie należy wdychać i pipetować ustami. dentyfikacja zagrożeń (Klasyfikacja zgodnie z dyrektywami UE 67/548/EWG lub 1999/45/WE): Testy NANOKOLOR - F Produkt wysoce łatwopalny R11; Xn Produkt szkodliwy R0/1/, R68/0/1/; T Produkt toksyczny R3/4/5, R39/3/4/5; C Produkt żrący R35 Pierwsza pomoc: - w razie kontaktu ze skórą: spłukać dużą ilością wody z mydłem. - w razie kontaktu z oczami: przepłukać dużą ilością wody, przy szeroko otwartej powiece. - w przypadku wystąpienia podrażnień skontaktować się z lekarzem. - w przypadku połknięcia NE prowokować wymiotów. Nieprzytomnej osobie nigdy nie podawać nic doustnie. Wypłukać usta wodą. Zasięgnąć porady medycznej. Dokładne instrukcje postępowania są zawarte w dołączonych kartach charakterystyk substancji. 4. APARATURA, SZKŁO ODCZYNNK DODATKOWE: - fotometr EPOLL - 0 ECO - kuwety szklane o długości 10-50 mm - rozdzielacze gruszkowe l00 m
- pipety l,5 ml - kolby miarowe 5 ml - lejek szklany - tryskawka - zlewka 50 ml 5. PRZYGOTOWANE PRÓBEK a)kadm. Pierwszy etap ekstrakcji (tylko próba badana) Do rozdzielacza wlać 50 ml próby badanej, dodać ml odczynnika R1, zamieszać i sprawdzić ph. W razie konieczności roztwór doprowadzić do ph 3,0 3,5. Następnie dodać 0 ml rozpuszczalnika organicznego (CCl 4 ) oraz 1 płaską miarkę odczynnika R. Wytrząsać 1 minutę, poczekać na rozwarstwienie, po czym dolną warstwę całkowicie odrzucić. Jeśli dolna warstwa nie jest zabarwiona na zielono, to świadczy to o dużej zawartości metali ciężkich przeszkadzających oznaczeniu. Należy wówczas powtórzyć pierwszą ekstrakcję dodając rozpuszczalnik organiczny i odczynnik R.. Drugi etap ekstrakcji Próba ślepa: Do rozdzielacza dodać 50 ml wody destylowanej i 4 ml odczynnika R3, zamieszać. Następnie wlać 0 ml rozpuszczalnika organicznego (CCl 4 ) oraz dodać 1 płaską miarkę odczynnika R4. Wytrząsać 1 ml. poczekać na rozwarstwienie. Próba badana: Do rozdzielacza z próbą badaną (pierwszy etap ekstrakcji) dodać 4 ml odczynnika R3, zamieszać, a następnie dodać 0 ml rozpuszczalnika organicznego płaską miarkę odczynnika R4. Wytrząsać 1 min. Poczekać na rozwarstwienie. Po rozwarstwieniu odrzucić pierwsze 3 ml dolnej warstwy. Następnie przefiltrować przez lejek z watą szklaną dolną warstwę odpowiedniego roztworu do odpowiedniej kuwety pomiarowej.. WYKONANE OZNACZENA: 1. Włączyć EPOLL - 0 ECO i wywołać odpowiedni program (37).. Wcisnąć przycisk START. 3. Wstawić do gniazda pomiarowego zadane zero - ślepą próbę. 4. Wstawić do gniazda pomiarowego próbkę badaną. 5. Odczytać wskazania przyrządu.
b) MANGAN ślepa próba Włączyć EPOLL - 0 ECO i wywołać program (4) Do kolby o pojemności 5 ml wlać 0 ml próby badanej (woda, ściek) i uzupełnić wodą destylowaną do objętości 5 ml. próba badana Do kolby o pojemności 5 ml wlać 0 ml próby badanej (woda, ściek), l ml odczynnika Rl, zamieszać, l ml odczynnika R, zamieszać i odczekać l minutę. Dodać l ml odczynnika R3 i zamieszać a następnie l miarkę odczynnika R4 i ponownie zamieszać. Uzupełnić wodą destylowaną do kreski, zamieszać i odstawić na 5 minut. WYKONANE OZNACZENA 1. Wcisnąć przycisk START. Wstawić do gniazda pomiarowego zadane zero - wodę destylowaną. 3. Przelać ślepą próbę i próbę badaną do kuwet pomiarowych. 4. Wstawić do gniazda pomiarowego ślepą próbę, a następnie badaną. 5. Odczytać wskazania przyrządu. (Przed każdym pomiarem należy zerować przyrząd.)" c) NKEL ślepa próba Włączyć EPOLL - 0 ECO i wywołać program (47) Do kolby o pojemności 5 ml wlać 0 ml próby badanej (woda, ściek). próba badana Do kolby o pojemności 5 ml wlać 0 ml próby badanej (woda, ściek), dodać l ml odczynnika Rl, następnie dodać l ml odczynnika R i zamieszać. Dodać l ml odczynnika R3, zamieszać i dodać 1 ml odczynnika R4. Ponownie zamieszać. (Zabarwienie powstające po dodaniu R musi zniknąć po dodaniu R3). Obydwie próby uzupełnić wodą. destylowaną do objętości 5 ml i zamieszać po czym odstawić na 5 minut. WYKONANE OZNACZENA 1. Wcisnąć przycisk START. Wstawić do gniazda pomiarowego zadane zero - wodę destylowaną. 3. przelać ślepą, próbę i próbę badaną do kuwet pomiarowych. 4. Wstawić do gniazda pomiarowego ślepą próbę, a następnie badaną. 5. Odczytać wskazania przyrządu. (Przed każdym pomiarem należy zerować przyrząd.) 6. OPRACOWANE WYNKÓW
1. Wstęp teoretyczny.. Podać zawartości metali w poszczególnych próbkach. 3. Przeprowadzić dyskusję wyników. 4. Porównać zawartości metali w próbkach z dopuszczalnymi normami (wody powierzchniowe). Literatura : Szczepaniak W. Metody instrumentalne w analizie chemicznej", Wyd., Warszawa, PWN 1996 (rozdz.7.1.) Szmal Z. S., Lipiec T.,, Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej", Wyd. V, Warszawa, PZWL 1988 (rozdz. 7.1.1., 7.1.., 7.1..1.. 7.1..., 7.1..3.)