Ćw. 5 Absorpcjometria I

Ćw. 5 Absorpcjometria I
Absorpcja promieniowania elektromagnetycznego z obszaru widzialnego i nadfioletowego przez
atomy i cząsteczki powoduje zmianę ich stanu elektronowego. Zjawiska te moŜna badać za
pośrednictwem elektronowych widm absorpcyjnych. Metoda optyczna wykorzystująca absorpcję
promieniowania elektromagnetycznego w nadfiolecie (z ang. Ultra-Violet = UV)
i w zakresie widzialnym (ang. visible = Vis.) przez substancje nosi nazwę spektrofotometrii
UV—Vis. Jest to metoda szeroko wykorzystywana w analizie jakościowej I ilościowej związków
organicznych i nieorganicznych. Dla widm optycznych sformułowano ogólne prawa absorpcji
promieniowania wiąŜące wielkość absorpcji z ilością badanej substancji.
Prawa absorpcji
I prawo absorpcji (prawo Bouguera—Lamberta).
Wiązka światła monochromatycznego przy przechodzeniu przez jednorodny ośrodek absorbujący
o grubości l ulega osłabieniu wg równania:
I = I0 ⋅ e-k⋅l
gdzie:
I0 - natęŜenie wiązki promieniowania monochromatycznego padającego na jednorodny ośrodek
absorbujący,
I - natęŜenie promieniowania po przejściu przez ośrodek absorbujący,
k - współczynnik absorpcji, charakterystyczny dla danej substancji przy określonej długości fali
promieniowania.
ZaleŜność tę wygodniej jest przedstawić w formie logarytmicznej:
A = ln(I0/I) =k ⋅ l
lub:
A = 1og(I0/I) = a ⋅ l
gdzie: a = 0,4343 ⋅ k
A — zdolność pochłaniania promieniowania przez ośrodek materialny, zwana absorbancją. Obok
terminu „absorbancja” uŜywane są takŜe inne terminy, takie jak: “wartość absorpcji”,
“ekstynkcja” (E) lub “gęstość optyczna”.
I prawo absorpcji moŜna takŜe sformułować w następujący sposób: absorbancja jest
proporcjonalna do grubości warstwy absorbującej, o ile wiązka promieniowania
monochromatycznego przechodzi przez jednorodny ośrodek absorbujący.
Często przy określeniu ilości zaabsorbowanego promieniowania spotykamy się z wielkością
określoną mianem transmitancji (T), zdefiniowanej następująco:
T = I / I0
A zatem:
A = log(1/T)
Wartość transmitancji podawana jest najczęściej w procentach. Wtedy:
%T = I / I0 ⋅ 100%
II prawo absorpcji (prawo Beera).
Prawo to dotyczy absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez roztwory i moŜna je
sformułować w następujący sposób: w przypadku, gdy współczynnik absorpcji rozpuszczalnika
1
jest równy zeru, to wiązka promieniowania monochromatycznego przy przechodzeniu przez
jednorodny roztwór substancji absorbującej o stęŜeniu c ulega osłabieniu według równania:
I = I0 ⋅ e-k⋅l⋅c
W formie logarytmicznej zaleŜność ta ma postać:
A = ln(I0/I) = k ⋅ l ⋅ c
lub:
A = 1og(I0/I) = a ⋅ l ⋅ c
Prawo to moŜna takŜe sformułować w ten sposób: w przypadku, gdy współczynnik absorpcji
rozpuszczalnika jest równy zeru, to absorbancja wiązki promieniowania monochromatycznego
przechodzącej przez jednorodny roztwór jest wprost proporcjonalna do stęŜenia roztworu c i do
grubości warstwy absorbującej l.
III prawo absorpcji (prawo addytywności absorpcji).
Absorbancja roztworu wieloskładnikowego równa się sumie absorbancji poszczególnych
składników:
A = A1 + A2 + A3 + … + An
gdzie:
A1, A2, A3, An - absorbancje składników roztworu
Prawo addytywności umoŜliwia analizę ilościową układów wieloskładnikowych.
W równaniu na absorbancję: A = a ⋅ l ⋅ c wielkością jest właściwym współczynnikiem absorpcji
w przypadku, gdy stęŜenie wyraŜamy w g/cm3 . Natomiast, gdy stęŜenie wyraŜone jest
w molach/dm3 równanie to przybiera postać: A = ∈ ⋅ l ⋅ c . Współczynnik ∈ nazywamy molowym
współczynnikiem absorpcji. Wartość A za1eŜy od stęŜenia roztworu, a funkcja
A = f(c) jest linią prostą, a ile roztwór spełnia prawo Beera (rys. 1). Często występują odchylenia
od praw absorpcji i wówczas funkcja ta przyjmuje postać przedstawioną na rys. 2.
Wielkość stęŜenia substancji, przy którym zaczynają pojawiać się odchylenia od praw absorpcji
zaleŜy od natury oznaczanej substancji, stopnia monochromatyczności pochłanianego
promieniowania, czułości aparatu i obecności substancji towarzyszących. Najczęściej
2
spotykanym odchyleniem jest tzw. odchylenie ujemne, którego przyczyną jest fakt, Ŝe ze
wzrostem stęŜenia cząsteczki mogą ulegać polimeryzacji, asocjacji lub solwatacji.
Aparatura
Spektrofotometr Marcel Mini-2 produkcji polskiej firmy Marcel.
Spektrofotometr Marcel Mini-2
Instrukcja obsługi spektrofotometru
I>
Pomiar widmowy
- Naciśnij „1” i wybierz „Zatwierdź” (uruchomienie programu)
- WłóŜ kuwetę z wodą destylowaną i naciśnij „ZERO A”
- WłóŜ kuwetę z próbką i naciśnij „START”
- Strzałkami nawigacji ← → ustaw maksimum absorbancji i odczytaj długość fali dla
maksymalnej absorbancji
- Naciśnij „WYDRUK” i „3” („Tabela Pomiarów”)
- Z wydruku (tabeli) odczytaj ponownie długość fali dla maksymalnej wartości absorbancji
- Naciśnij „PROGRAM” (powrót do menu)
II>
Pomiar stęŜenia fenoli
- Naciśnij „2” i „Zatwierdź”
- włóŜ kuwetę z wodą destylowaną i naciśnij „ZERO A”
- włóŜ kuwetę z próbką i naciśnij „KALIBRACJA”, „KALIBRACJA”
- kiedy w podświetlonym okienku pojawi się wartość zmierzonej absorbancji naciśnij
3
„START”. WłóŜ kuwetę z następną próbką i powtarzaj w/w czynność dla wszystkich 5
próbek (krzywa kalibracyjna).
- Naciśnij „ZATWIERDŹ”, „ZATWIERDŹ”
- WłóŜ kuwetę z próbką (analiza) i odczytaj wartość absorbancji i wyliczonego przez program
stęŜenia.
- Naciśnij „WYDRUK”
-Naciśnij „ PROGRAM” (powrót do menu)
III> Pomiar stęŜenia azotynów
- Naciśnij „3” i „Zatwierdź”
- włóŜ kuwetę z wodą destylowaną i naciśnij „ZERO A”
- włóŜ kuwetę z próbką i naciśnij „KALIBRACJA”, „KALIBRACJA”
-kiedy w podświetlonym okienku pojawi się wartość zmierzonej absorbancji, naciśnij
„START”. WłóŜ kuwetę z następną próbką i powtarzaj w/w czynność dla wszystkich 5
próbek (krzywa kalibracyjna).
- Naciśnij „ZATWIERDŹ”, „ZATWIERDŹ”
- WłóŜ kuwetę z próbką (analiza) i odczytaj wynik.
- Naciśnij „WYDRUK”
- Naciśnij „ PROGRAM” (powrót do menu)
Wykonanie ćwiczenia 1: Absorpcjometryczne oznaczanie azotynów w ekstrakcie
z gleby.
Zasada oznaczenia
Azotyny w roztworze kwaśnym (pH = 2 - 2,5) reagują z kwasem sulfanilowym:
Powstały związek dwuazoniowy ulega reakcji sprzęgania z α-naftylaminą, w wyniku czego
powstaje barwnik dwuazowy o zabarwieniu czerwonofioletowym:
PoniewaŜ intensywność powstałego zabarwienia jest proporcjonalna do ilości azotynów
w roztworze, moŜna określić ich zawartość w nieznanej próbce przez pomiar absorbancji przy
długości fali odpowiadającej maksimum absorpcji otrzymanego barwnika i odczytanie stęŜenia
azotynów z krzywej wzorcowej: A = f(c).
4
Odczynniki
roztwór azotynu sodowego zawierający 0,0001 mg/cm3 jonów NO2roztwór kwasu sulfanilowego zawierający 8 g kwasu w 1 dm3 roztworu
roztwór α-naftylaminy zawierający 0,5 g substancji w 100 cm3 roztworu
Opis czynności
1. Odmierzyć do kolbek miarowych o poj. 50 cm3 następujące ilości wzorcowego roztworu
azotynów: 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 i 16 cm3.
2. Do kaŜdej kolbki dodać: 10 cm3 wody destylowanej. 1 cm3 roztworu kwasu sulfanilowego,
odczekać 5 minut i wprowadzić 1 cm3 α-naftylaminy, dopełnić roztwory wodą destylowaną
do kreski i wymieszać.
3. Wykonać wykres zaleŜności absorbancji od długości fali ( od 420 do 600 nm) dla próbki
o największym stęŜeniu.
4. Zmierzyć absorbancję poszczególnych roztworów wobec wody jako odnośnika przy długości
fali, dla kt6rej absorbancja jest największa.
5. Do otrzymanego do analizy roztworu dodać 10 cm3 wody destylowanej, 1 cm3 roztworu
kwasu sulfanilowego, odczekać 5 minut i wprowadzić 1 cm3 α-naftylaminy, dopełnić roztwór
wodą destylowaną do kreski i wymieszać.
6. Zmierzyć absorbancję badanego roztworu (grubość kuwety, długość fali światła dobrać tak
dla roztworów wzorcowych).
7. Otrzymane wartości absorbancji zaznaczyć na wykresie w układzie współrzędnych:
absorbancja (A) i stęŜenie N02- (w mg). Wykreślić krzywą wzorcową. Z wykresu odczytać
oznaczoną ilość N02- (mg).
Wykonanie ćwiczenia 2: Oznaczanie fenolu w wodzie.
Jednym z toksycznych zanieczyszczeń wody jest fenol, który często przenika ze ścieków wielu
fabryk chemicznych do wód powierzchniowych, a niekiedy i do gruntowych. Oznaczenie
ilościowe tego związku w ściekach, wodach powierzchniowych, a zwłaszcza w wodzie
przeznaczonej do picia jest szczególnie istotne z punktu widzenia ochrony środowiska. Wiadomo
bowiem, Ŝe juŜ stęŜenie fenolu powyŜej 0,5 mmoli/dm3 obniŜa wartość konsumpcyjną wody,
a wyŜsze jego zawartości są szkodliwe dla zdrowia człowieka i często zabójcze dla fauny rzek
i strumieni.
Do oznaczania niskich stęŜeń fenolu w wodzie dogodne są metody fotometryczne
i spektrofotometryczne. Znanych jest wiele reakcji fenolu z róŜnymi odczynnikami prowadzące
do otrzymania barwnych związków. Pomiar absorbancji roztworów otrzymanych substancji
barwnych prowadzi do ilościowego oznaczenia fenolu w oparciu o krzywą wzorcową. Jednym ze
stosowanych często odczynników do przeprowadzenia barwnej reakcji z fenolem jest
4-aminoantypiryna. Metoda, w której wykorzystuje się ten odczynnik pozwala na oznaczenie
fenolu występującego w minimalnym stęŜeniu 0,05 mmoli/dm3.
5
Odczynniki:
2% wodny roztwór 4-aminoantypiryny
2 M roztwór amoniaku
1% roztwór K3 [Fe(CN)6]
roztwór wzorcowy fenolu (1⋅10-4mol/dm3)
Opis czynności.
1. Przygotować serię roztworów wzorcowych. Do 5 kolbek o poj. 50 cm3 odpipetować
następujące objętości roztworu podstawowego: 3, 6, 9, 15 i 20 cm3 (0,06; 0,12; 0,18; 0,30
i 0.40 mmo1i/dm3).
2. Do kaŜdej kolbki dodać 20 cm3 wody destylowanej, 0,3 cm3 roztworu 4-aminoantypiryny,
1 cm3 roztworu amoniaku i 1 cm3 roztworu Ŝelazicyjanku potasu. Dopełnić roztwory wodą
destylowaną do kreski.
3. W ten sam sposób, jak w punkcie 2, postąpić z otrzymaną do analizy próbką.
4. Po upływie 5 minut zmierzyć absorbancję roztworów wzorcowych i roztworu próbki przy
długości fali 510 nm.
5. Otrzymane wartości absorbancji nanieść na wykres A = f(c). Wyznaczyć z wykresu stęŜenie
analizowanej próbki i podać wynik (po przeliczeniu) w ug fenolu (masa cząsteczkowa fenolu
wynosi 94).
Sprawozdanie powinno zawierać wszystkie wydruki z pomiarów przeprowadzonych w tym
ćwiczeniu. NaleŜy takŜe samodzielnie(w Excelu) wykreślić krzywą kalibracyjną, wyznaczyć jej
równanie i uŜyć do obliczenia zawartości analitu w otrzymanej próbce.
6