UNIWERSYTET GDAŃSKI WYDZIAŁ CHEMII Pracownia studencka Katedry Analizy Środowiska Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Ćwiczenie nr 3 Oznaczanie chlorków metodą spektrofotometryczną z tiocyjanianem rtęci(ii) MONITORING ŚRODOWISKA Gdańsk, 2010
Monitoring środowiska Ćwiczenie 3 2 1. Wprowadzenie Podstawą metody oznaczania chlorków są reakcje: a) jonu chlorkowego z tiocyjanianem rtęci(ii), która zachodzi zgodnie z równaniem: 2Cl + Hg(SCN) 2 HgCl 2 + 2SCN, w której jony chlorkowe reagują z tiocyjanianem rtęci(ii) tworząc słabo zdysocjowany chlorek rtęci(ii), b) reakcje uwolnionego anionu tiocyjanianowego z kationem żelaza(iii), które zachodzą wg równań: Fe 3+ + SCN Fe(SCN) 2+ Fe(SCN) 2+ + + SCN Fe(SCN) 2 Fe(SCN) + 2 + SCN Fe(SCN) 3 3- Fe(SCN) 3 + 3SCN Fe(SCN) 6 Kation żelaza(iii) reaguje z anionem tiocyjanianowym, tworząc krwistoczerwone ( smocza krew ) kompleksy o różnej liczbie (1-6) ligandów. Kompleksy te absorbują promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali 480 nm, co jest podstawą ich spektrofometrycznego oznaczania ilościowego. Zawartość chlorków w wodzie badanej odczytuje się z krzywej kalibracyjnej, wyznaczonej (wyliczonej) na podstawie pomiarów absorbancji roztworów chlorków o znanym stężeniu. Oznaczanie chlorków metodą spektrofotometryczną z tiocyjanianem rtęci(ii) można stosować do próbek: - wody gruntowej, - wody powierzchniowej, - wody morskiej (po rozcieńczeniu), - wody pitnej, - wody mineralnej, - wód leczniczych, - wód przemysłowych, - ścieków i odcieków. 2
Monitoring środowiska Ćwiczenie 3 3 Metoda spektrofotometrycznego oznaczania chlorków w reakcji z tiocyjanianem rtęci(ii) jest metodą czułą i mało wrażliwą na wpływ substancji obcych. Zakłócenia wyników pomiarów mogą powodować jony CN, Br i S 2. Jony siarczkowe można usunąć z próbki przez dodanie niewielkiej ilości nadtlenku wodoru. Metodę spektrofotometrycznego oznaczania chlorków w reakcji z tiocyjanianem rtęci(ii) można stosować do próbek wody o stężeniu jonów Cl od 1 do 250 mg/l. 2. Oznaczanie ilościowe metodą krzywej kalibracyjnej W procesie pomiaru próbka poddawana jest różnym przemianom lub oddziaływaniom, w wyniku których uzyskiwany jest sygnał analityczny. W metodach instrumentalnych, które w większości są metodami porównawczymi, mierzony jest parametr fizyczny, będący funkcją stężenia substancji analizowanej. Aby uzyskać dokładne wyniki ilościowe, wymagana jest kalibracja względem znanych wzorców. Porównywanie z wzorcami można przeprowadzić najczęściej następującymi metodami: metodą krzywej kalibracyjnej, metodą dodawania wzorca, metodą wzorca wewnętrznego. W przeważającej części metod detekcji mierzony parametr jest funkcją liniową stężenia analitu: Y = ac + b, gdzie: Y - wielkość mierzona, c stężenie analitu, a współczynnik proporcjonalności, a = BC/AB = tg α, b wartość stała, jest często wartością eksperymentalną ślepej próby, którą można przedstawić graficznie (Rys. 1A). Rys. 1A. Krzywa kalibracyjna Y = ac + b. 3
Monitoring środowiska Ćwiczenie 3 4 Współczynnik proporcjonalności a określa czułość metody; im większe zmiany wartości mierzonej Y na jednostkę stężenia c, tym większa jego wartość i tym wyższa czułość metody. Metody o małym kącie nachylenia krzywych kalibracyjnych nie są przydatne do celów analitycznych (zbyt małe przyrosty wartości wielkości mierzonej na jednostkę stężenia). Parametr b może przyjmować wartości dodatnie, ujemne lub zero. W metodzie krzywej kalibracyjnej przygotowuje się szereg roztworów o znanych stężeniach substancji analizowanych oraz tzw. ślepą próbę roztwór, w którym są wszystkie składniki roztworów wzorcowych z wyjątkiem analitu i dla każdego roztworu mierzy się wartość Y. Zależność Y od c wzorców wykreśla się (Rys. 1B) lub wylicza równanie prostej Y=f(c). Wartość Y x mierzy się następnie dla próbki badanej, nanosi na krzywą kalibracyjną i odczytuje stężenie c x lub oblicza z równania prostej. Rys. 1B. Krzywa kalibracyjna Y = a c. Przed przystąpieniem do oznaczeń metodą krzywej kalibracyjnej należy zbadać zakres prostoliniowej zależności wartości mierzonej od stężenia analitu (Rys. 1C). Rys. 1C. Krzywa kalibracyjna o ograniczonym zakresie stosowania. Na przedstawionej na Rys. 1C krzywej kalibracyjnej, do celów analitycznych nadaje się zakres 4
Monitoring środowiska Ćwiczenie 3 5 stężeń od 0 do 5 (odcinek krzywej 0a), odcinek ab krzywej nie przedstawia zależności liniowej. Krzywą kalibracyjną należy wykonywać w dniu pomiarów, zmiana warunków pomiarów (np. temperatury) czy użycie innej partii odczynników może powodować przesunięcie krzywej kalibracyjnej na osi Y lub zmianę nachylenia prostej Y = f(c). Na wartość wielkości mierzonej może mieć duży wpływ matryca, czyli to wszystko, co wprowadzamy do układu pomiarowego poza substancją oznaczaną. Udział matrycy należy uwzględnić przy sporządzaniu roztworów wzorcowych, dbając by roztwory wzorcowe miały skład i właściwości fizyko-chemiczne jak najbardziej zbliżone do właściwości roztworu analitu. Zmniejszenie wpływu matrycy na wartość wielkości mierzonej można niekiedy uzyskać przez wprowadzanie do próbki substancji maskujących. Ograniczenie wpływu matrycy może być trudne lub niemożliwe, jak często bywa w przypadku próbek środowiskowych, należy wtedy zastosować metodę dodawania wzorca lub zmienić sposób przygotowania próbki do pomiarów. 3. Część doświadczalna 3.1. Przygotowanie próbek wody badanej do analizy Próbki wody analizować najlepiej bezpośrednio po pobraniu. Wartość ph próbek musi się mieścić w zakresie 1 12. W razie potrzeby, do zakwaszania lub alkalizowania, używać roztwór kwasu azotowego(v) lub amoniaku. Próbki mętne należy przesączyć (pomiar mętnych roztworów daje zawyżone wyniki). Temperatura badanych próbek powinna się mieścić w przedziale 10 30ºC. 3.2. Wykonanie krzywej kalibracyjnej Przygotować fotometr do pracy wg instrukcji, długość fali λ = 480 nm. Przygotować 250 ml roztworu wodnego chlorku sodu o stężeniu jonów Cl c = 0,5 mg/ml - roztwór podstawowy. Z roztworu podstawowego przygotować roztwory do wykonania krzywej kalibracyjnej o następujących stężeniach jonów Cl : 5,0; 10,0; 20,0; 40,0; 75,0; 100,0; 150,0; 200,0 i 250,0 mg/l. W tym celu do kolbek o pojemności 100 ml przenieść odpowiednią objętość roztworu podstawowego i uzupełnić do 100 ml wodą destylowaną. Dla każdego roztworu wzorcowego przeprowadzić reakcję i pomiar wg schematu przedstawionego na Rys. 1. Pomiary rozpocznij od najniższego stężenia. 5
Monitoring środowiska Ćwiczenie 3 6 Wyniki dotyczące krzywej kalibracyjnej zapisać w tabeli, wg przykładu poniżej. L.p. Objętość roztworu podstawowego [ml] Stężenie jonów Cl [mg/l] 1 5,0 2 10,0 3 20,0 4 40,0 5 75,0 6 100,0 7 150,0 8 200,0 9 250,0 Absorbancja Wzór tabeli, do której należy wpisać wyniki pomiarów dotyczące krzywej kalibracyjnej. 1,2 ml roztworu wzorcowego (lub próbki wody badanej) 2,6 ml wody destylowanej 1,6 ml roztworu siarczanu(vi) amonowo żelazowego(iii) 0,6 ml roztworu tiocyjanianu rtęci(ii), Hg(SCN) 2 + + + Wymieszać (VORTEX) Reakcja (1 min) Przenieść do kuwety pomiarowej Pomiar absorbancji Rys. 1. Schemat procedury oznaczania chlorków. 6
Monitoring środowiska Ćwiczenie 3 7 3.3. Wykonanie oznaczenia Wykonać oznaczenie jonów chlorkowych w badanych próbkach wody wg schematu przedstawionego na Rys. 1. Wyniki zapisać w tabeli wg poniższego schematu. L.p. Próbka wody Absorbancja Stężenie Cl [mg/l] Wzór tabeli, do której należy wpisać wyniki pomiarów dotyczące badanych próbek wody. 3.4. Wykonanie obliczenia zawartości jonów chlorkowych w wodzie Narysować krzywą kalibracyjną A = f(c Cl ) oraz wyliczyć równanie dla tej zależności. Odczytać z krzywej i obliczyć z równania stężenie jonów chlorkowych w badanych próbkach wody ( mg/l). 4. Sprawozdanie 1. Krótka teoria uwzględniająca: - chlorki jako zanieczyszczenie wody i ich pochodzenie, - istotę oznaczania z uwzględnieniem równań reakcji cząsteczkowych i jonowych, - podstawy oznaczania jakościowego i ilościowego metodą spektrofotometryczną. 2. Część doświadczalna: - opis próbek, - opis wykonania krzywej kalibracyjnej, w tym rysunek krzywej kalibracyjnej na podstawie danych doświadczalnych A=f(c); równanie prostej A=f(c), - opis przebiegu oznaczenia chlorków (równania reakcji cząsteczkowe i jonowe, opis obserwowanych zjawisk i wstępne wnioski), obliczenia. 3. Wyniki i ich dyskusja. 5. Wymagania: - nieorganiczne zanieczyszczenia wody i ich pochodzenie, - podstawowe wiadomości o metodach oznaczania chlorków, 7
Monitoring środowiska Ćwiczenie 3 8 - oznaczanie chlorków metodą spektrofotometryczną z tiocyjanianem rtęci(ii) z uwzględnieniem równań reakcji (cząsteczkowo i jonowo), - podstawy spektrofotometrycznego oznaczania substancji (absorpcja promieniowania elektromagnetycznego, absorbancja, transmitancja, prawo Lamberta-Beera, budowa fotometru), - metoda krzywej kalibracyjnej. 6. Odczynniki: 1) siarczan(vi) amonowo żelazowy(iii), Fe(NH 4 )(SO 4 ) 2 12H 2 O, w roztworze kwasu azotowego(v) (30 g Fe(NH 4 )(SO 4 ) 2 12H 2 O rozpuścić w około 250 ml destylowanej wody w kolbie miarowej o poj. 500 ml, dodać 177,5 ml stężonego HNO 3 i uzupełnić wodą destylowaną do kreski; przefiltrować, V = 500 ml, 2) tiocyjanian rtęci(ii), Hg(SCN) 2 ; nasycony roztwór wodny (0,5 g Hg(SCN) 2 rozpuścić w 100 ml wody destylowanej, zdekantować a następnie przesączyć do kolby miarowej o poj. 100 ml i uzupełnić do kreski, V = 100 ml, 3) chlorek sodu, NaCl, 4) roztwór amoniaku 25%, V = 25 ml, 5) roztwór kwasu azotowego(v) 1mol/l, V = 25 ml. 7. Sprzęt i szkło laboratoryjne: 1) fotometr Spectroquant, 2) waga analityczna, 3) VORTEX, 4) statyw do probówek, 5) statyw do pipet, 6) łopatka do ważenia, 7) folia aluminiowa, 8) pompka do pipet, 9) kolba miarowa o poj. 250 ml 1 szt., 10) kolba miarowa o poj. 100 ml 9 szt., 11) pipeta miarowa o poj. 5 ml 2 szt., 12) pipeta miarowa o poj. 2 ml 2 szt., 13) pipeta miarowa o poj. 1 ml 1 szt., 14) pipeta jednomiarowa o poj. 10 ml 1 szt., 8
Monitoring środowiska Ćwiczenie 3 9 15) probówki o poj. 25 ml 14 szt., 16) tryskawka, 17) zlewka o poj, 100 ml, 18) lejek szklany. 9