Zakład Analizy Środowiska Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

UNIWERSYTET GDAŃSKI
WYDZIAŁ CHEMII
Pracownia studencka
Zakład Analizy Środowiska
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Ćwiczenie nr 1
PORÓWNANIE SKUTECZNOŚCI RÓŻNYCH
METOD EKSTRAKCJI n-ALKANÓW Z GLEBY
Pracownia dyplomowa (Chemia)
Gdańsk, 2012
1. Pracownia dyplomowa (Chemia) – Porównanie różnych metod ekstrakcji n-alkanów
2
1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA
Techniki ekstrakcyjne są najczęściej stosowanymi metodami izolacji i wzbogacania
analitów występujących w próbkach środowiskowych. Stosowane są one w analityce śladowych
składników
próbek
gazowych,
ciekłych
oraz
stałych
w
celu
usunięcia
substancji
zanieczyszczających oraz osiągnięcia odpowiedniej granicy wykrywalności (LOD). Podczas
procesu ekstrakcji następuje przeniesienie analitów z próbki (matrycy pierwotnej) do matrycy
odbierającej (tzw. wtórnej), która ma zazwyczaj prosty, ściśle zdefiniowany skład chemiczny.
Wprowadzenie etapu ekstrakcji do procedury analitycznej daje zazwyczaj następujące korzyści:
•
przeniesienie analitów do matrycy o znacznie prostszym niż matryca pierwotna i
jednocześnie jednoznacznie określonym składzie chemicznym, najczęściej bardziej
odpowiedniej do oznaczeń końcowych,
•
usunięcie składników przeszkadzających w analizie końcowej,
•
możliwość podniesienia stężenia analitów powyżej granicy oznaczalności stosowanej
•
techniki i przyrządu pomiarowego.
Należy jednak pamiętać, że proces ekstrakcji może prowadzić do straty pewnej części analitów i
wprowadzać dodatkowe zanieczyszczenia próbki. Ekstrakcja n-alkanów oraz wielopierścieniowych
węglowodorów aromatycznych z gleby jest przykładem ekstrakcji próbek stałych. Proces ten może
być realizowany na wiele sposób jak obrazuje Rys. 1.
Ekstrakcja cieczą jest podstawowym procesem wyodrębniania związków organicznych z
próbek stałych. Polega ona na wybiórczym rozpuszczaniu substancji znajdującej się w stałej próbce
w określonym rozpuszczalniku. Obecnie stosowane techniki ekstrakcji próbek stałych cieczą dzielą
się na trzy zasadnicze grupy (patrz też Tabela 1):
•
Techniki klasyczne, do których zaliczamy: ekstrakcję rozpuszczalnikiem z wytrząsaniem,
ekstrakcję za pomocą strumienia rozpuszczalnika, saponifikację, ekstrakcję w aparacie
Soxhleta oraz homogenizację próbki z rozpuszczalnikiem;
•
Nowoczesne techniki z wykorzystaniem dodatkowych czynników do wspomagania
ekstrakcji (ultradźwięki czy promieniowanie mikrofalowe). Do tej grupy technik
ekstrakcji należy sonikacja, przyśpieszona ekstrakcja z pomocą rozpuszczalnika (ASE),
ekstrakcja za pomocą rozpuszczalnika pod zwiększonym ciśnieniem ((MPLE), ekstrakcja
z pomocą rozpuszczalnika wspomagana promieniowaniem mikrofalowym (MAE);
•
Techniki, w których wykorzystuje się płyny w stanie nadkrytycznym (SFE).
1. Pracownia dyplomowa (Chemia) – Porównanie różnych metod ekstrakcji n-alkanów
3
Rys. 1. Klasyfikacja technik ekstrakcji z próbek stałych (J. Namieśnik, Z. Jamrógiewicz, M.
Pilarczyk, L. Torres, Przygotowanie próbek środowiskowych do analiz, WNT, Warszawa, 2000).
Tab. 1. Porównanie różnych technik ekstrakcji z wykorzystaniem rozpuszczalników ze względu na
czas trwania procesu i ilość zużywanych rozpuszczalników (J. Namieśnik, Z. Jamrógiewicz, M.
Pilarczyk, L. Torres Przygotowanie próbek środowiskowych do analiz, WNT, Warszawa, 2000).
1. Pracownia dyplomowa (Chemia) – Porównanie różnych metod ekstrakcji n-alkanów
4
Często stosowanym aparatem do ekstrakcji w układzie ciało stałe–ciecz jest aparat Soxhleta
pokazany na Rys. 2. Aparat Soxhleta składa się z trzech części, połączonych najczęściej za pomocą
szlifów: kolby kulistej (1) , ekstraktora (2), i chłodnicy zwrotnej (3). Ekstrahowane ciało stałe
umieszcza się w gilzie (4) wykonanej z grubej bibuły, tkaniny bądź siatki z cienkiego drutu. W
kolbie znajduje się lotny rozpuszczalnik, który wrze przy podgrzewaniu kolby za pomocą płaszcza
grzejnego (7), a jego pary rurką (5) przechodzą do chłodnicy zwrotnej. Po skropleniu
rozpuszczalnik gromadzi się w środkowej części aparatu (2), gdzie znajduje się gilza. Ciecz z
wyekstrahowaną substancją samoczynnie, poprzez zamknięcie syfonowe (6), przelewa się do
kolby, skąd rozpuszczalnik jest ponownie oddestylowywany. Dzięki zamkniętemu obiegowi i
destylacji rozpuszczalnika próbkę można ekstrahować wielokrotnie świeżymi porcjami, przy
stosunkowo niewielkiej ilości użytego medium ekstrahującego. Ekstrakcja w aparacie Soxhleta jest
procesem dość powolnym, jednak nie wymaga ciągłego nadzoru. Zastosowanie automatycznych
zestawów do prowadzenia ekstrakcji przyśpiesza jej przebieg oraz umożliwia zmniejszenie zużycia
rozpuszczalników.
Rys. 2. Zestaw do ekstrakcji w aparacie Soxhleta.
2. WYKONANIE ĆWICZENIA
2.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest porównanie wydajności ekstrakcji n-alkanu C20 z próbek gleby z
wykorzystaniem:
1. Pracownia dyplomowa (Chemia) – Porównanie różnych metod ekstrakcji n-alkanów
•
różnych matryc – gleba mokra i gleba sucha, zanieczyszczona n-alkanem C20
•
technik ekstrakcji – ekstrakcja w aparacie Soxhleta, ekstrakcja z mieszaniem, ekstrakcja
5
wspomagana ultradźwiękami
•
rodzajów użytych rozpuszczalników – eter naftowy, dichlorometan, dichlorometan-aceton
(3:2, v/v)
2.2. Wykonanie ćwiczenia
2.2.1. Ekstrakcja z gleby suchej w aparacie Soxhleta (cała grupa)
Odważyć 5 g gleby suchej z dokładnością do 1 mg. Przenieść odważoną próbkę do gilzy,
od góry gilzę zamknąć watą i całość umieścić w nasadce ekstrakcyjnej. Do kolby
okrągłodennej wprowadzić kamyki wrzenne, wlać ok. 150 ml eteru naftowego, kolbę
umieścić w płaszczu grzejnym, zamontować na niej aparat Soxhleta i chłodnicę zwrotną.
Włączyć przepływ wody chłodzącej i rozpocząć ogrzewanie. Utrzymywać stan łagodnego
wrzenia przez 1 godzinę (czas ekstrakcji). Wyłączyć ogrzewanie, zawartość kolby
okrągłodennej przenieść sukcesywnie do kolby okrągłodennej o pojemności 250 ml. Do
ekstraktu dodać wzorzec wewnętrzny (n-alkan C22, ilość według wskazań prowadzącego).
Odparowywać eter naftowy na wyparce rotacyjnej do objętości około 1 mL. Następnie
ekstrakt przenieść ilościowo do butelki 2 mL. Uzyskany ekstrakt zabezpieczyć taśmą
teflonową i pozostawić do kolejnych ćwiczeń.
2.2.2. Ekstrakcja z gleby suchej
Odważyć trzy próbki po 5 g gleby suchej z dokładnością do 1 mg. Przenieść odważone
próbki do kolb stożkowych o pojemności 100 mL i dodać po 50 mL eteru naftowego.
Pierwszą próbkę umieścić na 0,5 godziny na mieszadle magnetycznym; drugą na 0,5
godziny w łaźni ultradźwiękowej, trzecią – odstawić na 0,5 godziny, lekko mieszając co 10
minut. Uzyskane ekstrakty przesączyć przez warstwę bezwodnego siarczanu (VI) sodu na
sączku do kolb okrągłodennych o pojemności 100 mL. Do ekstraktów dodać wzorzec
wewnętrzny (n-alkan C22, ilość według wskazań prowadzącego). Odparowywać eter
naftowy na wyparce rotacyjnej do objętości około 1 mL. Następnie ekstrakt przenieść
ilościowo do butelek 2 mL. Uzyskane ekstrakty zabezpieczyć taśmą teflonową i pozostawić
do kolejnych ćwiczeń.
1. Pracownia dyplomowa (Chemia) – Porównanie różnych metod ekstrakcji n-alkanów
6
2.2.3. Ekstrakcja z gleby mokrej
Odważyć trzy próbki po 5 g gleby mokrej z dokładnością do 1 mg. Przenieść odważone
próbki do kolb stożkowych o pojemności 100 mL i dodać:
•
do pierwszej próbki 50 mL eteru naftowego
•
do drugiej próbki 50 mL dichlorometanu
•
do trzeciej próbki 50 mL mieszaniny dichlorometan-aceton (3:2, v/v)
Próbki umieścić na 0,5 godziny w łaźni ultradźwiękowej. Do uzyskanych ekstraktów dodać
po łyżce bezwodnego siarczanu (VI) sodu i energicznie wymieszać. Następnie, ekstrakty
przesączyć przez warstwę bezwodnego siarczanu (VI) sodu na sączku do kolb
okrągłodennych o pojemności 100 mL. Do ekstraktów dodać wzorzec wewnętrzny (nalkan C22, ilość według wskazań prowadzącego). Odparowywać eter naftowy na wyparce
rotacyjnej do objętości około 1 mL. Następnie ekstrakt przenieść ilościowo do butelek 2
mL. Uzyskane ekstrakty zabezpieczyć taśmą teflonową i pozostawić do kolejnych ćwiczeń.
3. OPRACOWANIE WYNIKÓW
Wyniki zostaną opracowane zbiorczo po zakończeniu ćwiczeń 1-4.
4. SZKŁO I ODCZYNNIKI
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
próbki gleby suchej i mokrej
dichlorometan
eter naftowy
dichlorometan-aceton (3:2, v/v)
roztwór wzorca – n-alkanu C22 w toluenie
bezwodny siarczan (VI) sodu
waga analityczna
wyparka rotacyjna
mieszadło magnetyczne – 1 szt.
zestaw do ekstrakcji w aparacie Soxhleta - płaszcz grzejny, regulator napięcia, aparat
Soxhleta, chłodnica zwrotna, kolba okrągłodenna o pojemności 250 ml
kamyki wrzenne
szczypce metalowe – 1 szt.
szpatułka metalowa – 3 szt.
pipeta Pasteura – 7 szt.
bagietka szklana – 2 szt.
butelka z nakrętką (objętość 2 mL) – 7 szt.
1. Pracownia dyplomowa (Chemia) – Porównanie różnych metod ekstrakcji n-alkanów
•
•
•
•
•
•
•
•
strzykawka szklana 100 μl – 1 szt.
cylinder miarowy 250 mL – 1 szt.
cylinder miarowy 50 mL – 2 szt.
kolby stożkowe 100 mL – 6 szt.
kolba okrągłodenna 250 mL – 1 szt.
kolba okrągłodenna 100 mL – 6 szt.
lejek szklany – 7 szt.
sączki twarde jakościowe
7