OZNACZANIE ANIONÓW W PRÓBKACH WODY Instrukcja do ćwiczeń opracowana w Katedrze Chemii Środowiska Uniwersytetu Łódzkiego 1. WSTĘP 1.1. AZOTANY Związki azotu zawarte w wodach naturalnych mogą być pochodzenia organicznego (jak produkty biochemicznego rozkładu białek roślinnych i zwierzęcych) lub pochodzenia mineralnego, tj. mogą one pochodzić z gleby nawożonej nawozami sztucznymi, ze ścieków przemysłowych a niekiedy także z atmosfery zawierającej tlenki azotu (po wyładowaniach atmosferycznych). Związki azotu w wodach naturalnych mogą przechodzić z jednej postaci w drugą dzięki reakcjom nitryfikacji i denitryfikacji W związku z tym przy ocenie stopnia zanieczyszczenia wód naturalnych związki azotu rozpatruje się pod kątem ich jakościowego i ilościowego występowania w tych wodach. Obecność w wodzie powierzchniowej amoniaku wobec braku azotynów wskazuje na świeże zanieczyszczenia wody ściekami gospodarczymi lub innymi związkami organicznymi, zawierającymi w swej cząsteczce azot. Równoczesne występowanie amoniaku i azotanów (III) świadczy o tym, że od chwili zanieczyszczenia wody upłynął już pewien czas. Brak amoniaku i azotanów (III) i obecności azotanów (V) wskazuje, że zanieczyszczenie nastąpiło już dawno i w tym czasie zaszło samooczyszczenie wody. Woda do picia, według przepisów higienicznych, nie powinna zawierać amoniaku i azotanów (III) pochodzących z rozkładu odpadków zwierzęcych lub innych produktów mogących bezsprzecznie świadczyć o jej zanieczyszczeniu. Natomiast amoniak i azotany (III) pochodzenia mineralnego nie są normowane dla wód użytkowych, gdyż związki te występują w wodach podziemnych w niewielkich ilościach i same nie mają szkodliwego wpływu na zdrowie. Dopuszczalne stężenie azotanów (V) w wodzie do picia i na potrzeby gospodarcze nie powinno przekraczać 10 mg/dm 3 N-NO - 3, amoniaku zaś 0,5 mg/dm 3 N-NH 4+. 1.2. FLUORKI Związki fluoru w przyrodzie występują dość powszechnie. Obecne są w wodzie naturalnej, w glebie, w głębokich pokładach geologicznych, w żywych organizmach oraz w roślinach. Największe stężenie związków fluoru występuje w wodzie, która styka się z fosforytami lub apatytami. W okolicach bogatych w związki fluoru woda może zawierać znaczne ilości tego pierwiastka. Stężenie fluoru może dochodzić nawet do 10 mg/dm 3 F. W 1
wodach powierzchniowych i podziemnych obecność fluorków może być rezultatem naturalnych procesów, jak również wynikać z zanieczyszczenia środowiska gazami, ściekami i odpadami przemysłowymi. Fluor w wodach naturalnych może występować w postaci różnych związków. Najczęściej występuje w postaci fluorku wapnia (rozpuszczalność CaF 2 ok. 16 mg/dm 3 ). Fluor wywiera niewątpliwy wpływ na układ kostny człowieka, a szczególnie na uzębienie. Szkodliwy wpływ fluoru objawia się tak zwaną fluorozą, gdy organizm przyjmuje więcej niż 2,5 mg F na dobę. Objawy chorobowe widoczne są przede wszystkim w postaci cętkowanego szkliwa na zębach. Za optymalną dawkę uważa się ok. 1 mg fluoru na dobę, co zapobiega powstawaniu fluorozy i próchnicy. Wody występujące na obszarach Polski i ujmowane do celów wodociągowych są na ogół ubogie we fluorki i wykazują ich niedobór, wyrażający się stężeniem poniżej 0,5 mg/dm 3 F. Jedynie w nielicznych przypadkach wody w Polsce, zwłaszcza w rejonach nadmorskich, wykazują zawartość ponad 1,0 mg/dm 3 F, a więc zwiększone ilości fluorków. W rejonach ubogich we fluorki część wodociągów komunalnych stosuje fluorowanie wody, czyli jej wzbogacanie we fluorki. Natomiast, gdy stężenie fluorków znacznie przekracza ilość optymalną, należy stosować usuwanie jego nadmiaru z wody. Ze względu na duże znaczenie biogeoendemiczne fluorków w wodzie, oznaczenie tego składnika powinno być wykonywane zawsze przy wyborze źródła ujęcia wody do celów wodociągowych. Ponadto stosowanie fluorowania wody wodociągowej zwróciło uwagę na konieczność stałej kontroli fluoru ze względu na bezpieczeństwo mieszkańców. 1.3. FOSFORANY Związki fosforu, podobnie jak związki azotu, występują w wodach naturalnych i mogą być pochodzenia zarówno nieorganicznego (z wyługowania gleby nawożonej nawozami fosforanowymi lub ze źródeł naturalnych) jak i organicznego (z rozkładu związków organicznych, zawierających w swoim składzie fosfor). Związki organiczne zawierające fosfor mogą pochodzić ze ścieków gospodarczych i niektórych ścieków przemysłowych, jak np. ścieków z fabryk nawozów sztucznych, fabryk zapałek, fabryk syntetycznych środków piorących i innych. Stąd w wodach naturalnych związki fosforu mogą występować w postaci 2-3- jonowej jako HPO 4 lub PO 4 (jest to tzw. fosfor mineralny), oraz w postaci związków organicznych (fosfor organiczny). Fosforany, nawet w niewielkiej ilości nie są pożądane, gdyż w wodach wodociągowych sprzyjają rozwojowi mikroorganizmów. Pomimo, że fosforany nie są szkodliwe dla zdrowia, 2
w ocenie wody do picia obecność tych związków wzbudza podejrzenie pod względem higieniczno-sanitarnym, tym bardziej, jeżeli związki fosforu występują równolegle ze związkami azotowymi. Wówczas fosforany i azotany mogą pochodzić z rozkładu związków organicznych i są wskaźnikiem zanieczyszczenia wody. 1.4. ANIONOWE SUBSTANCJE POWIERZCHNIOWO-CZYNNE (Detergenty anionowe) Detergenty syntetyczne różnią się pomiędzy sobą budową, jednak wszystkie one, a także zwykłe mydła mają jedną wspólną cechę: ich cząsteczki mają długi, niepolarny, węglowodorowy fragment rozpuszczalny w tłuszczu oraz polarny fragment rozpuszczalny w wodzie. Przykładem może być siarczan dodecylo-sodowy: n-c 11 H 23 CH 2 OSO - 3 Na +. Fragmentem niepolarnym jest tutaj długi łańcuch węglowodorowy, a fragmentem polarnym - grupa -OSO - 3 Na +. Powszechnie używanymi detergentami są sole kwasów alkilobenzenosulfonowych (ABS): SO - 3 Na + R Detergenty te działają zasadniczo w taki sam sposób jak mydło. Używa się ich, ponieważ mają pewną przewagę nad mydłem; np. siarczany i sulfoniany zachowują efektywność działania w twardej wodzie, ponieważ ich sole wapniowe i magnezowe są w niej rozpuszczalne. Ponieważ są one solami mocnych kwasów i mocnych zasad, tworzą obojętne roztwory w przeciwieństwie do mydeł, które jako sole słabych kwasów i mocnych zasad, dają roztwory słabo zasadowe. Detergenty tego typu ulegają jednak tylko w 50-60% biodegradacji, rozkładają się powoli, pienią się silnie w obecności białek, powodując tym samym skażenie ścieków i rzek. Podobne do nich są,,miękkie detergenty, stanowiące liniowe alkilobenzenosulfoniany (LAS), zawierające rozgałęziony łańcuch alifatyczny. Ulegają one biodegradacji w 90% (następuje biodegradacja prostego łańcucha alkilowego, a nie pierścienia aromatycznego) co powoduje jedynie niewielkie skażenie. Stosowanie pewnych rodzajów detergentów może jednak stwarzać różne problemy. Bakterie powodujące biodegradację mogą zużyć całą ilość rozpuszczonego w wodzie tlenu, uniemożliwiając np. życie ryb, roślin; 3
w warunkach krańcowo beztlenowych może nastąpić redukcja jonów SO 4 - powoduje nieprzyjemny zapach. do H 2 S, co 2. METODA OZNACZENIA 2.1. AZOTANY (V) W środowisku stężonego kwasu jony azotanowe nitrują pierścień 2,6-dimetylofenolu tworząc 4-nitro-2,6-dimetylofenol. Związek ten może być oznaczany fotometrycznie przy analitycznej długości fali wynoszącej 380 nm. Metoda jest zalecana do badań wody pitnej, gruntowej, powierzchniowej. Bez rozcieńczania lub zatężania próbki wody, za pomocą tej metody można oznaczać azotany w stężeniach od 0,3 do 22 mg/dm 3 N-NO 3. W oznaczaniu azotanów (V) przeszkadzają chlorki i węglany w stężeniu powyżej 1000 mg/dm 3 oraz jony azotanowe (III) w stężeniu wyższym niż 1 mg/dm 3 (ta sama reakcja). Jony azotanowe (III) trzeba usunąć dodając kwas amidosulfonowy (czas reakcji 10 min). 2.2. FLUORKI Metoda oznaczania opiera się o reakcję, w której jony fluorkowe odbarwiają kompleks alizarynowo-lantanowy. W badanej próbce wykonywany jest fotometryczny pomiar zaniku barwy. Stosując tą metodę można oznaczać fluorki w stężeniach od 0,1 do 2,0 mg/dm 3 F. W oznaczeniu przeszkadzają jony glinu i wapnia, natomiast nie przeszkadzają jony azotanowe (V) i (III) oraz siarczanowe (VI). 2.3. o-fosforany Jony fosforanowe tworzą z molibdenianem amonowym kompleks fosforomolibdenowy, który jest redukowany do błękitu molibdenowego. Reakcja chemiczna przebiega zgodnie z równanie przedstawionym poniżej. PO 3-4 + 12MoO 2-4 + 24H+ [P(Mo 3 O 10 ) 4 ] 3- + 12H 2 O Metoda ta pozawala na oznaczenie o-fosforanów w zakresie 0,1 20.0 mg/dm 3 PO 3-4. W oznaczeniu nie przeszkadzają Fe, Pb, Zn, SiO 2 w stężeniu poniżej 10 mg/dm 3 oraz jony wapnia, cytryniany i winiany w stężeniu poniżej 200 mg/dm 3. 2.4. DETERGENTY Zasada oznaczania detergentów anionowych polega na tworzeniu niebieskiego kompleksu w wyniku reakcji błękitu metylowego z detergentami anionowymi. Przed 4
pomiarem absorbancji powstały kompleks jest ekstrahowany z próbki za pomocą chloroformu. W oznaczeniu przeszkadzają jony siarczkowe, które muszą być usunięte z próbki przez dodanie nadtlenku wodoru. Jeżeli w próbce znajdują się detergenty kationowe to wynik oznaczenia jest pomniejszony o równoważnik detergentów kationowych. 3. APARATURA, SZKŁO I ODCZYNNIKI - fotometr EPOLL - 20 ECO - kuwety szklane o grubości 10-50 mm - pipety automatyczne - tryskawka - NANOCOLOR AZOTANY 50 (nr kat. 925 64) - NANOCOLOR O-FOSFORANY (nr kat. 918 77) - NANOCOLOR FLUORKI 2 (nr kat. 925 40) - NANOCOLOR DETERGENTY ANIONOWE (nr kat. 919 32) - Kolby miarowe o pojemności 25 ml Wymagane środki ostrożności W trakcie wykonywania ćwiczenia student powinien nosić odzież ochronną. Roztworów nie należy wdychać i pipetować ustami. Identyfikacja zagrożeń (Klasyfikacja zgodnie z dyrektywami UE 67/548/EWG lub 1999/45/WE): Testy NANOKOLOR - F Produkt wysoce łatwopalny R11; Xn Produkt szkodliwy R20/21/22, R68/20/21/22; T Produkt toksyczny R23/24/25, R39/23/24/25; 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 NIE 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. 5
4. WYKONANIE OZNACZEŃ 4.1. AZOTANY (V) Przygotowanie próby badanej Otworzyć znajdujące się w zestawie i zawierające odczynniki probówki, dalej dodać 0,5 ml badanej próby wodnej oraz 0,5 ml odczynnika R2. Następnie zakręcić probówki i zamieszać przez wielokrotne kołysanie. Probówki pozostawić na 10 min w temperaturze pokojowej. UWAGA! Przed pomiarem wytrzeć zewnętrzną powierzchnię probówki. Pomiar absorbancji Oznaczyć zawartość azotanów (V) wg metody nr 64. 1. Wywołać program nr 6 długość fali (380 nm). 2. Wcisnąć przycisk START. 3. Wstawić do gniazda pomiarowego żądane zero próbka dołączona do zestawu (NULL). 4. Wstawić do gniazda pomiarowego próbę badaną. 5. Odczytać wskazania przyrządu. 4.2. FLUORKI Przygotowanie próby badanej Otworzyć znajdujące się w zestawie i zawierające odczynniki probówki, następnie dodać 2 ml badanej próby wodnej, zakręcić probówki, wymieszać i odstawić na 15 min. UWAGA! Przed pomiarem wytrzeć zewnętrzną powierzchnię probówki. Pomiar absorbancji Oznaczyć zawartość fluorków wg metody nr 40. 1. Wywołać program nr 32 długość fali (620 nm lub 652 nm). 2. Wcisnąć przycisk START. 3. Wstawić do gniazda pomiarowego żądane zero próbka dołączona do zestawu. 4. Wstawić do gniazda pomiarowego próbę badaną. 5. Odczytać wskazania przyrządu. 4.3. o-fosforany Przygotowanie próby badanej 6
Do kolbek miarowych o pojemności 25 ml wprowadzić 20 ml próby badanej. Następnie dodać do kolby 1 ml odczynnika R1, zamieszać i dodać 1 ml odczynnika R2, wymieszać. Roztwór uzupełnić wodą destylowaną do kreski, wymieszać i odstawić na 10 minut. Przygotowanie ślepej próby - zero Do kolbki miarowej o pojemności 25 ml wprowadzić 20 ml wody destylowanej, dodać 1 ml odczynnika R1, zamieszać i dodać 1 ml odczynnika R2, wymieszać. Próbę uzupełnić do objętości 25 ml, wymieszać i odstawić na 10 minut. Pomiar absorbancji Oznaczyć zawartość fosforanów wg metody nr 77. 1. Wywołać program nr 51 długość fali (690 nm lub 720 nm). 2. Wcisnąć przycisk START. 3. Wstawić do gniazda pomiarowego żądane zero - próbę ślepą. 4. Wstawić do gniazda pomiarowego próbę badaną. 5. Odczytać wskazania przyrządu. 4.4 DETERGENTY ANIONOWE I. Pierwszy etap ekstrakcji Próba ślepa: Do rozdzielacza wlać 25 ml wody destylowanej, dodać 1 ml odczynnika R1, zamieszać, następnie 0,5 ml odczynnika R2 i ponownie zamieszać. Następnie dodać 10 ml rozpuszczalnika organicznego. Wytrząsać 1 minutę, poczekać na rozwarstwienie, po czym zlać dolną warstwę i zachować do następnej ekstrakcji. Próba badana: Do rozdzielacza wlać 25 ml próby badanej, dodać 1 ml odczynnika R1, zamieszać, następnie 0,5 ml odczynnika R2 i ponownie zamieszać. Następnie dodać 10 ml rozpuszczalnika organicznego. Wytrząsać 1 minutę, poczekać na rozwarstwienie, po czym zlać dolną warstwę i zachować do następnej ekstrakcji. UWAGA!!! Wytrząsanie powinno być równomierne. Zbyt silne wytrząsanie prowadzi do powstania emulsji i w efekcie do błędów. II. Drugi etap ekstrakcji Próba ślepa: 7
Do rozdzielacza dodać 25 ml wody destylowanej i 0,5 ml odczynnika R3, zamieszać. Następnie wlać warstwę dolną z I ekstrakcji. Wytrząsać 1 minutę i poczekać na rozwarstwienie. Próba badana: Do rozdzielacza wlać 25 ml wody badanej i dodać 0,5 ml odczynnika R3, zamieszać. Następnie wlać warstwę dolną z I ekstrakcji. Wytrząsać 1 minutę i poczekać na rozwarstwienie. Po rozwarstwieniu odrzucić pierwsze krople dolnej warstwy. Następnie przefiltrować przez lejek z watą szklaną dolną warstwę roztworu do kuwety pomiarowej.. Pomiar absorbancji Oznaczyć zawartość detergentów anionowych wg metody nr 32. 1. Włączyć EPOLL - 20 ECO i wywołać program 26. 2. Wcisnąć przycisk START. 3. Wstawić do gniazda pomiarowego żądane zero - ślepą próbę. 4. Wstawić do gniazda pomiarowego próbkę badaną. 5. Odczytać wskazania przyrządu. 6. OPRACOWANIE WYNIKÓW 1. Wstęp teoretyczny. 2. Podać zawartości analitów w poszczególnych próbkach. 3. Przeprowadzić dyskusję wyników. 4. Porównać zawartości oznaczonych związków z dopuszczalnymi normami. Literatura: Szczepaniak W.,,Metody instrumentalne w analizie chemicznej, Wyd. I, Warszawa, PWN 1996 (rozdz. 7.1.) Szmal Z. S., Lipiec T.,,Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej, Wyd. VI, Warszawa, PZWL 1988 (rozdz. 7.1.1., 7.1.2., 7.1.2.1., 7.1.2.2., 7.1.2.3.) 8