Chemia i technologia materiałów barwnych Ćwiczenia laboratoryjne

Chemia i technologia materiałów barwnych
Ćwiczenia laboratoryjne
BADANIE WŁAŚCIWOŚCI ZWIĄZKÓW BARWNYCH
Z
WYKORZYSTANIEM SPEKTROFOTOMETRII UV-VIS.
Opracowanie: dr inŜ. Ewa Wagner-Wysiecka
Politechnika Gdańska
Wydział Chemiczny
Katedra Technologii Chemicznej
1
1. WSTĘP
Związki barwne znajdują szerokie zastosowanie m.in. w chemii analitycznej zarówno w
klasycznej analizie jak i w metodach instrumentalnych. W analityce związki barwne
stosowane są jako wskaźniki alkacymetryczne, kompleksometryczne, wskaźniki redoks,
wskaźniki adsorpcyjne. Związki tego typu stosowane są w roztworach wodnych,
rozpuszczalnikach organicznych oraz w układach mieszanych rozpuszczalników.
Prowadzone przez ostatnich kilkadziesiąt lat intensywne badania nad wysoce selektywnymi
(jeśli nie specyficznymi) odczynnikami spowodowały, Ŝe przy wykorzystaniu związków
barwnych moŜna oznaczać większość indywiduów (kationy metali, aniony organiczne i
nieorganiczne, obojętne cząsteczki).
Klasyczne wskaźniki pH
Pomiary pH naleŜą do najczęściej wykonywanych pomiarów w laboratorium. MoŜna do tego
celu wykorzystać metodę potencjometryczną a takŜe metodę wizualną z zastosowaniem
wskaźników pH (indykatorów). Wskaźnikami pH są związki organiczne o charakterze
słabych kwasów lub zasad. W roztworze wodnym ulegają one dysocjacji tworząc
odpowiednio zabarwiony jon. WyróŜnia się wskaźniki dwubarwne (np. oranŜ metylowy) oraz
jednobarwne (np. fenoloftaleina). Pod względem budowy chemicznej wskaźniki pH naleŜą do
wielu grup związków ( np. barwniki azowe, trifenylometanowe).
WaŜnym parametrem cechującym tego typu wskaźniki jest wartość ich stałej dysocjacji. Stała
ta moŜe zostać wyznaczona wieloma metodami, jednak dla związków barwnych
najdogodniejszą wydaje się być metoda spektrofotometryczna.
Wskaźniki metalochromowe
Zdolność do selektywnego tworzenia kompleksów przez związki barwne moŜe zostać
wykorzystana do oznaczania np. jonów metali. Wskaźniki takie określane są mianem
metalowskaźników lub wskaźników metalochromowych. Związki takie wykorzystywane są w
metodach miareczkowania kompleksometrycznego jak i jako selektywne odczynniki w
spektroskopii UV-Vis. Przy pomocy typowych odczynników metalochromowych
(np.
czernie eriochromowe, PAN, PAR itp.) moŜna oznaczać większość kationów metali za
2
wyjątkiem jonów I grupy układu okresowego. Odkrycie przez Pedersena eterów koronowych
i ich właściwości selektywnego kompleksowania jonów metali m.in. litowców umoŜliwiło
opracowanie szczególnie selektywnych metod oznaczania jonów metali I grupy układu
okresowego. Na przykład zaproponowano metodę oznaczania jonów potasu w surowicy krwi
z wykorzystaniem 18-korony-6. Jako barwny odczynnik pomocniczy zastosowano zieleń
bromokrezolową.
Wprowadzenie do cząsteczek eterów koronowych ugrupowań o charakterze chromoforowym
dało początek nowej grupie związków określanych mianem chromojonoforów. Związki te
posiadają zdolność selektywnego kompleksowania jonów metali, czemu towarzyszy
określona zmiana barwy.
Ugrupowaniem często wprowadzanym do cząsteczek chromojonoforów jest grupa azowa.
MoŜe ona znajdować się poza obrębem makrocyklu bądź stanowić jego część. W ostatnim
przypadku donorowe atomy azotu mogą uczestniczyć w procesie kompleksowania jonów.
Proces selektywnego kompleksowania jonów metali, tak jak w przypadku wszystkich
związków makrocyklicznych, jest uzaleŜniony m.in. od wzajemnego dopasowania rozmiarów
cząsteczki gościa i gospodarza.
CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA
Aparatura i odczynniki:
Wszystkie pomiary zostaną wykonane przy pomocy spektrofotometru UV-Vis UNICAM 300
w kuwetach kwarcowych (1cm). Do dyspozycji będzie takŜe odpowiednie szkło miarowe.
Ćwiczenie 1
Wyznaczanie stałej dysocjacji wskaźnika pH
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej dysocjacji
wskaźnika pH – zieleni
bromokrezolowej. Stała zostanie wyznaczona metodą spektrofotometryczną. W celu
wyznaczenia stałej naleŜy przygotować serię roztworów o określonym pH w tym takŜe takie,
w których badany związek występuje całkowicie w postaci zdysocjowanej oraz
niezdysocjowanej. Następnie naleŜy zmierzyć absorbancję odpowiednich roztworów i na
podstawie uzyskanych wyników wyznaczyć wartość pKa badanego wskaźnika. Wytyczne
dotyczące sporządzania
odpowiednich roztworów zostaną podane przez prowadzącego
ćwiczenie (Załącznik 1).
3
Ćwiczenie 2
Badanie zmian barwy w roztworach wskaźników.
Celem ćwiczenia jest określenie wpływu stęŜenia roztworu wskaźnika
(zieleni
bromokrezolowej) na zmianę jego barwy i wykazanie, Ŝe zmiana barwy nie jest jedynie
wynikiem rozcieńczania.
W tym celu naleŜy przygotować roztwór podstawowy zieleni bromokrezolowej o stęŜeniu
1,8×10
-4
mol/dm3 . Następnie przygotować roztwory zieleni bromokrezolowej o róŜnym
stęŜeniu przez rozcieńczenie odpowiednio:
0,50; 1,00; 1,50; 2,50; 3,90; 4,50; 5,10; 6,00; 6,30 oraz 7,50 ml
roztworu podstawowego w kolbach o pojemności 10 ml. NaleŜy zwrócić uwagę na
zabarwienie roztworów i wyjaśnić zaobserwowane róŜnice w barwie.
Ćwiczenie 3
Wyznaczanie stałej trwałości kompleksu chromogenicznego eteru koronowego z jonami
metali w acetonitrylu.
W celu wyznaczenia stałej kompleksowania naleŜy przygotować serię odpowiednich
roztworów.
Roztwór podstawowy liganda: o stęŜeniu ok. 10-4 mol/dm3.
Roztwór nadchloranu metalu: o stęŜeniu ok. 10-2 mol/dm3.
Roztwory posłuŜą do przygotowania roztworów, na podstawie których zostanie wyznaczona
stała kompleksowania.
Następnie naleŜy wykonać widmo podstawowe liganda o stęŜeniu 10-5 mol/dm3 ( naleŜy
znaleźć λmax oraz ε max). Następnie, zachowując to samo stęŜenie liganda, naleŜy zarejestrować
widmo w obecności soli metalu w warunkach takich, aby moŜna było przyjąć, Ŝe w roztworze
mamy do czynienia prawie wyłącznie z formą skompleksowaną liganda (widmo graniczne).
Na podstawie widm liganda zarejestrowanych przy róŜnych stęŜeniach soli metalu, widma
podstawowego oraz widma granicznego naleŜy wyznaczyć stałą trwałości kompleksu metodą
Benesi –Hildebranda.
Zakres obowiązującego materiału: wskaźniki w chemii analitycznej: działanie, budowa,
kryteria stosowania. Dysocjacja, stała dysocjacji, wyznaczanie stałej dysocjacji kwasów i
zasad, ogólne podstawy analizy spektrofotometrycznej, prawo Lamberta-Beera, związki
4
kompleksowe, stałe trwałości, metody wyznaczania stałych trwałości kompleksów (metoda
Benesi-Hildebranda).
Potrzebne informacje zawarte są w podręcznikach:
„Chemia analityczna” – J. Minczewski, Z. Marczenko
Chemia fizyczna- dowolny podręcznik akademicki
„Eksperymentalna chemia fizyczna” – Lucjan Sobczyk
Przy przygotowywaniu niniejszej instrukcji skorzystano z następujących materiałów:
J.Chem.Educ., 38, 365 (1961).
J.Chem.Educ., 71, 747 (1994).
J.Chem.Educ., 76, 395 (1999).
J.Chem.Educ., 76, 892 (1999).
J.Chem.Educ., 78, 939 (2001).
Talanta,
24, 763 (1977).
Skryptu: „Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej” red. Edward Dutkiewicz,
Wydawnictwo UAM, Poznań 1997;
oraz z wyników prac badawczych aktualnie prowadzonych w Katedrze Technologii
Chemicznej.
5