Nefelometria i turbidymetria

Nefelometria i turbidymetria
Wstęp
Często się zdarza, Ŝe jakaś substancja występująca w śladowych ilościach w analizowanej
próbce, musi być szybko i równocześnie moŜliwie dokładnie oznaczona ilościowo, jednak
nie moŜna ją przeprowadzić w kompleks przydatny do analizy spektrofotometrycznej.
Stosunkowo zaś łatwo moŜna tę substancję wytrącić w postaci bardzo rozdrobnionej,
koloidalnej zawiesiny w jakimś rozpuszczalniku. O ile taka zawiesina jest bezbarwna (lub
prawie bezbarwna), a poszczególne jej cząstki są prawie monodyspersyjne (jednakowego
kształtu i jednakowych rozmiarów) i jeŜeli ponadto taka zawiesina jest trwała (nie ulega
koagulacji) i w dostatecznie długim przedziale czasu jej własności optyczne nie ulegają
zmianie, dobrą metoda analityczną okazuje się metoda turbidymetryczna lub
nefelometryczna. Zarówno jedna, jak i druga metoda polega na pomiarze wielkości zwanej
zmętnieniem związanej zaleŜnością wprost proporcjonalną z liczbą cząstek wywołujących
mętność roztworu. Zasadę obu metod ilustruje schematyczny rysunek 1.
Rys.1 Zasada działania nefelometrii i turbidymetrii. 1 – źródło światła, 2 – kuweta,
3 – fotokomórki, 4 – galwanometr.
Turbidymetria polega na oznaczaniu ilościowym zawiesiny koloidalnej w badanej próbce
przez pomiar natęŜenia światła przepuszczanego przez tę próbkę; detektor jest umieszczony
na jednej linii z próbką i źródłem światła. Stąd teŜ turbidymetria nie róŜni się w zasadzie od
absorpcjometrii i do celów turbidymetrycznych moŜna z powodzeniem stosować zwykły
absorpcjometr lub spektrofotometr. Nefelometria natomiast polega na oznaczaniu ilościowym
zawiesiny koloidalnej w badanej próbce przez pomiar natęŜenia światła przepuszczanego
przez tę próbkę; detektor jest umieszczony pod pewnym kątem (najczęściej 900) względem
kierunku biegu wiązki świetlnej wychodzącej ze źródła światła. Do celów nefelometrycznych
uŜywa się natomiast przyrządów o nieco innej konstrukcji pozwalającej mierzyć natęŜenie
światła rozproszonego (pod kątem 900), zwanych nefelometrami. Takiego typu przyrządem
jest stosowany w pracowni analizy instrumentalnej fotometr Pulfricha.
Do pomiaru duŜych zmętnień (dość obfitych zawiesin) z powodzeniem mogą być stosowane
obie metody – obie są w tym wypadku równorzędne. Do pomiaru małych stęŜeń lepiej nadaje
się metoda nefelometryczna – jest ona czulsza. Zaznaczyć naleŜy, Ŝe obie metody naleŜą do
klasy najczulszych metod analitycznych. Wykrywalność metody nefelometycznej sięga
1
niekiedy 1/300 ppm (1:300000000), jak w przypadku oznaczania fosforu wytrąconego
odczynnikiem strychninomolibdenianowym: w przypadku oznaczania amoniaku za pomocą
odczynnika Nesslera wykrywalność sięga 1/160 ppm. ppm (part per milion) – jednostka
stęŜenia uŜywana w przypadku roztworów bardzo rozcieńczonych, oznaczająca jedną część
wagową substancji rozpuszczonej przypadającą na 1000000 części wagowych roztworu. Stąd
teŜ metoda nefelometryczna lub turbidymetryczna bywa z powodzeniem stosowana do takich
standardowych analiz, jak oznaczenie siarki i siarczanów w postaci siarczanu barowego,
halogenków w postaci halogenków srebra, ołowiu w postaci siarczanu ołowiu itp. Ponadto
stosuje się ją do oznaczania zanieczyszczeń zawartych w powietrzu (dymy, aerozole), gazów
bojowych, niektórych bakterii, do oznaczania fazy rozproszonej w emulsjach koloidalnych
(np. w mleku), do określenia efektywności procesu filtracyjnego, do oznaczania tłuszczów
i smarów, do róŜnych analiz biochemicznych (moczu, krwi i innych płynów fizjologicznych),
do oznaczania białka i in.
Aby zapewnić dobrą powtarzalność pomiarów, a tym samych duŜą ich dokładność,
opracowano szczegółowo przepisy analityczne precyzujące stęŜenia odczynników, ilości jakie
mają być uŜyte do oznaczania, szybkość, sposób i czas wytrącania osadu czy mieszania oraz
okres jaki powinien upłynąć od momentu wytrącenia osadu do chwili pomiaru zmętnienia.
Ponadto istotnym czynnikiem jest temperatura oraz ilości dodatkowych odczynników
zwiększających stopień rozdrobnienia i trwałość zawiesiny, takich jak koloidy ochronne np.
Ŝelatyna lub teŜ jonowe substancje peptyzujące. Wymienione odczynniki zapewniają
otrzymanie zawiesin o odpowiedniej i jednolitej w całej masie wielkości ziarna cząstek
rozpraszających światło.
Matematyczne podstawy nefelometrii i turbidymetrii
Podstawową wielkością, której pomiar prowadzi do ilościowego oznaczania substancji
tworzącej zawiesinę koloidalną, jest tzw. Zmętnienie. Jednoznaczne zdefiniowanie tej
wielkości jest sprawą kłopotliwą, w literaturze poświęconej temu zagadnieniu istnieje pewna
rozbieŜność nomenklaturowa. NiezaleŜnie jednak od sposobu, w jaki ta wielkość jest
zdefiniowana, jest ona ściśle powiązana (bezpośrednio lub pośrednio) z rozproszenoem
światła
R=Ir/I0,
czyli
wielkością,
którą
zaniedbywaliśmy
w
pomiarach
spektrofotometrycznych jako znikomo małą, a która tutaj gra rolę dominującą. W wyraŜeniu
definiującym rozproszenie (I0 = Ia + Ir + It) Ir - jest natęŜeniem światła rozproszonego,
I0 - natęŜeniem światła padającego na próbkę, Ia – to zaadsorbowana część światła.
W przypadku układów z zawiesiną Ir przybiera znaczne wartości kosztem Ir i Ia, która jest tutaj
nieznaczna. Zatem równanie powyŜsze moŜna napisać w formie przybliŜonej, przydatnej do
celów turbidymetrycznych i nefelometrycznych:
I r It
+ =1
(1)
I0 I0
Jak widać z powyŜszego równania, jest rzeczą obojętna, czy będziemy mierzyć jak
w turbidymetrii wielkość It, czy teŜ jak w nefelometrii wielkość Ir. Pomiar zarówno jednego
jak i drugiego natęŜenia oddaje wielkość rozproszenia światła. Zmętnieninatomiast musi być
tak zdefiniowane, aby jego związek z oznaczanym turbidymetrycznie czy nefelometrycznie
stęŜeniem był moŜliwie najprostszy (zaleŜność wprost proporcjonalna). W związku
z powyŜszym inną wielkość przyjęło się na ogół nazywać zmętnieniem w pomiarach
turbidymetrycznych, a inną w pomiarach nefelometrycznych. Dlatego teŜ poniŜej zostaną
przytoczone dwie, najczęściej spotykane definicje tej wielkości.
2
W turbidymetrii, która nie róŜni się w zasadzie od absorpcjometrii, zmętnienie oznacza się
najczęściej literą T (turbidance):
I
I
T = log 0 = log 0
(2)
It
I
gdzie:
I0 – natęŜenie światła padającego na badaną próbkę,
It /I – natęŜenie światła przepuszczanego przez zawiesinę (nierozproszonego).
Wielkość T zaleŜna jest od wielu czynników takich jak: długość fali (λ) światła stosowanego
w pomiarach; przeciętna średnia cząstek substancji tworzącej zawiesinę (d); grubość warstwy
(I); liczba cząstek zawiesiny znajdujących się w biegu promieni; rodzaj zawiesiny; a nawet
metoda pomiaru. ZaleŜność tę ujmuje z dobrym przybliŜeniem wzór Wellsa:
d3
T =k⋅ 4
⋅l ⋅c
(2a)
d + a ⋅ λ4
W którym k jest współczynnikiem proporcjonalności zaleŜnym od rodzaju zawiesiny
i metody pomiaru, a to stała charakterystyczna dla danej metody pomiarowej, zaś c jest
stęŜeniem wagowym analizowanej substancji, wyraŜonym z reguły w jednostkach ppm.
Dla danej substancji, oznaczonej za pomocą metody w świetle monochromatycznym, wzór 2a
przyjmuje postać, będącą odpowiednikiem prawa Lamberta-Beera:
T =α ⋅l ⋅c
(2b)
gdzie:
d3
α =k⋅ 4
d + a ⋅ λ4
Wzór 2b jest podstawą turbidymetrycznej analizy ilościowej. Pamiętać naleŜy o jego
przybliŜonym charakterze. Współczynnik proporcjonalności α nie jest dla danego ε
wielkością stałą, jak absorpcjometryczny odpowiednik E, poniewaŜ zawiera on zaleŜną od
wielu czynników wartość przeciętnej średnicy cząstek zawiesiny. Dlatego teŜ pomiary
turbidymetryczne wykonywane są z reguły metodą kalibracyjną (cechowania).
W pomiarach nefelometrycznych przyjęło się definiować zmętnienie jako:
I
Tr = r ⋅ 100%
(3)
I0
Wielkość ta jak widać, jest niczym innym, jak wielkością rozproszenia R wyraŜoną
w procentach. Związek Tr ze stęŜeniem analizowanej substancji wprowadza się na podstawie
wyników teorii rozproszenia światła. Teoria ta jest bardzo złoŜona i nie będzie tu przytaczana
nawet we fragmentach. Ograniczymy się jedynie do jednego z jej prostszych wyników, czyli
do tzw. rozproszenia Rayleigha, gdy cząsteczki rozpraszające są jednolite, a ich rozmiary
liniowe mniejsze od długości fali światła uŜytego. Dla takich załoŜeń:
v2
I r = I 0 ⋅ F ⋅ 4 2 ⋅ N ⋅ 1 + cos 2 θ = I 0 ⋅ K ⋅ N
(4)
λ ⋅r
gdzie:
F – wielkość współczynnika załamania światła w roztworze,
N – liczba cząstek w danej objętości,
v – przeciętna objętość cząstki,
λ - Długość fali światła padającego,
r – odległość pomiędzy próbką a detektorem,
θ - kąt pomiędzy kierunkiem światła padającego a kierunkiem obserwacji światła
rozproszonego.
Wzór powyŜszy, podający zaleŜność pomiędzy natęŜeniem światła rozproszonego a liczbą
cząstek rozpraszających, podaje równocześnie (przy załoŜeniu jednolitości wymiarów cząstek
(
3
)
zawiesiny) związek pomiędzy Tr a stęŜeniem analizowanej próbki i jest podstawą
nefelometrycznej analizy ilościowej. Z uwagi na przybliŜony charakter tego wzoru pomiary
wykonuje się metodą kalibracji.
Aparatura
Do pomiarów nefelometrycznych uŜywany jest zmodyfikowany typ fotometru Pulfricha,
którego uniwersalna konstrukcja pozwala na wykonanie zarówno pomiarów
nefelometrycznych, jak i fluorymetrycznych. Składa się on z dwóch zasadniczych części:
głowicy i właściwego fotometru, zamontowanych na ławie optycznej. Jest to przyrząd
wizualny, dwuwiązkowy z jednym źródłem światła. Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono
schemat optyczny przyrządu oraz jego ogólny wygląd.
Rys. 2 Schemat optyczny nefelometru Pulfricha.
W głowicę przyrządu G wmontowane są 1- komora wodna wraz z pomieszczeniem na kuwetę
z badanym roztworem; 2 – płytka szklana, częściowo odbijająca światło, słuŜąca w pomiarach
nefelometrycznych częściowo do oświetlania szkiełek porównawczych; 3 – źródło światła;
4 i 5 – szkiełka porównawcze do pomiarów nefelometrycznych i fluorymetrycznych oraz filtr
UV. Fotometr F składa się z obiektywów (10), układu pryzmatów i soczewek (6), szczelin (8)
regulowanych za pomocą bębnów pomiarowych (9), tarczy (7) z kompletem filtrów oraz
okularu (11).
Rys.3 Ogólny wygląd nefelometru Pulfricha.
4
Oprócz wymienionych wyŜej zasadniczych elementów do wyposaŜenia nefelometru Pulfricha
naleŜy transformator (13) zasilający lampkę wolframową i Ŝaróweczkę oświetlającą skalę
bębnów pomiarowych oraz dławik lampy rtęciowej (14), a takŜe kuweta pomiarowa i wzorce.
Źródło światła jest wymienne. Stanowi je w przypadku, gdy przyrząd spełnia rolę nefelometru
6-ścio woltowa Ŝarówka z włóknem wolframowym o mocy 30W, zasilana z sieci prądem
zmiennym (220V) poprzez transformator (13); w przypadku zaś gdy przyrząd pełni rolę
fluorymetru – wysokociśnieniowa lampa rtęciowa HQE-40, zasilana równieŜ z sieci prądem
zmiennym przez dławik (14). Naczyńkiem pomiarowym jest cylindryczna kuweta szklana,
która moŜe być z powodzeniem zastąpiona zwykłą zlewką lub naczyńkiem wagowym.
(W przypadku, gdy do pomiarów nie jest uŜywana firmowa kuweta naleŜy zwracać uwagę na
identyczne w kaŜdy pomiarze ustawienie zlewki lub naczyńka wagowego.) Komplet filtrów
i szkieł porównawczych (4,5,7) słuŜy do uzyskania moŜliwie najkorzystniejszego obrazu (12)
w okularze. Obserwuje się w nim okrągłe pole widzenia, przedzielone cienką pionową linią
na dwie połówki, będące obrazem dwóch fotometrowanych wiązek świetlnych.
Najkorzystniejsze warunki wizualnego fotometrowania uzyskuje się wówczas, gdy obie
połówki pola widzenia mają jednakowe zabarwienie.
Zasada pomiaru zmętnienia za pomocą nefelometru Pulfricha jest następująca: światło
z Ŝarówki pada na ustawioną pod pewnym kątem płytkę szklaną (2), wskutek czego część
światła przechodzi przez układ soczewek i wpada do naczyńka z badanym roztworem, część
zaś odbija się od płytki i pada na odpowiednio dobrane do danej serii pomiarów
nefelometrycznych szkiełko porównawcze. Uzyskane w ten dwie wiązki światła ulegają
rozproszeniu – jedna na cząsteczkach zawiesiny w badanej próbce, druga na szkiełku
porównawczym. Następnie dwie rozproszone wiązki, jako równoległe wpadają do obiektywu,
skąd poprzez szczeliny, układ soczewek i pryzmatów dostają się do okularu. Ich względne
natęŜenie, zwane tu „względnym zmętnieniem” wyraŜa się wzorem:
I
R = r0
(5)
Ir
Ir – natęŜenie światła rozproszonego przez badaną próbkę,
Ir0 – natęŜenie światła rozproszonego przez szkiełko porównawcze.
NatęŜenia światła mierzy się przez odpowiednią regulację szczelin pomiarowych.
Obsługa aparatu
Sposób posługiwania się nefelometrem: Pierwszą czynnością jest włączenie urządzenia do
prądu poprzez transformator i ustawienie lampy wolframowej w pozycji „T” poprzez ostroŜny
obrót górnej ruchomej części obudowy lampy. Następnie naleŜy skontrolować ustawienie
lampy. Obu tych czynności studenci zazwyczaj nie wykonują, gdyŜ przed rozpoczęciem
semestru przyrząd jest sprawdzany i ustawiany, a w ciągu semestru stosowany jest wyłącznie
do pomiarów nefelometrycznych. Z kolei naleŜy ustawić tarczę (5) w połoŜeniu „E”,
w którym światło zostaje przepuszczone bez filtru do dalszej części układu optycznego. Po
czym ustawia się naczyńko pomiarowe z badanym roztworem w statywie (zwracając uwagę
na jednakowe w kaŜdym pomiarze ustawienie naczyńka względem statywu).
Po wykonaniu tych czynności przystępujemy do właściwych pomiarów optycznych. Zaczyna
się je od dopasowania połoŜenia okularu do oka obserwatora, tj. znalezienie takiego połoŜenia
okularu, aby uzyskać optymalną ostrość obrazu. Następnie dobiera się odpowiedni filtr
barwny przez obrót tarczy (7) tak, aby obie połówki obserwowanego w okularze pola
widzenia ( przy ustawieniu obu bębnów pomiarowych na podziałce 100 na czarnej skali)
miały jednakowe zabarwienie. Intensywność barwy będzie oczywiście inna, w przypadku
analizy siarczanów będzie to filtr czerwony oznaczony nr 1. Następnie pozostawiając
połoŜenie obu bębnów pomiarowych w pozycji 100 na czarnej skali, dobiera się optymalne
5
szkiełko porównawcze przez ustawienie tarczy (4) w takiej pozycji, dla której róŜnica
intensywności obu połówek pola wiszenia jest mniejsza (pozycja 4).
Wreszcie przystępuje się do właściwego pomiaru zmętnienia, czyli ustawienia bębna
znajdującego się od strony ciemniejszej połówki pola widzenia ( dla niezmiennego ustawienia
bębna drugiego na podziałce 100) w takiej pozycji, aby doprowadzić do jednakowej
intensywności obu połówek pola widzenia obserwowanego w okularze. Pomiar taki naleŜy
powtórzyć kilkakrotnie (co najmniej pięciokrotnie) zbliŜając się do właściwego połoŜenia raz
od strony wyŜszych, drugi raz od strony niŜszych wartości wskazań (podziałek skali) bębna
pomiarowego.
Odczyt ze skali bębna prawego daje wprost wartość względnego zmętnienia R,
zdefiniowanego wzorem 5. JeŜeli bębnem pomiarowym był bęben lewy, to z odczytu z jego
skali (A) oblicza się wartość zmętnienia R z następującej zaleŜności:
104
R=
(6)
A
Wykonanie ćwiczenia
Jako przykład analizy nefelometrycznej studenci wykonują ilościowe oznaczanie siarczanów
w próbce otrzymanego go analizy roztworu siarczanu (próbka kontrolna). Oznaczanie
wykonuje się metodą cechowania mierzące względne zmętnienie R zawiesiny BaSO4,
powstałej w wyniku dodawania do badanego roztworu siarczanu krystalicznego,
drobnoziarnistego chlorku baru.
Próbka analityczna (próbka kontrolna) i próbki do cechowania przygotowuje się w dziewięciu
suchych, ponumerowanych zlewkach o poj. 100cm3. Aby zapewnić dobre warunki wytrącenia
jednorodnej i jednakowej w kazdej próbce zawiesiny BaSO4, naleŜy wszystkie roztwory
przygotowywać w identyczny sposób, posługując się tym samym szkłem miarowym,
odmierzając te same ilości odpowiednich odczynników, stosując ten sam czas mieszania
próbki itp. Do wszystkich rozcieńczeń naleŜy uŜywać wyłącznie wody destylowanej, a szkło
musi być przed pomiarem dokładnie ta wodą przepłukane. W pierwszej kolejności naleŜy
rozcieńczyć do kreski wodą destylowaną próbkę analizy kontrolnej i przelać do zlewki nr 9
50cm3 tego roztworu, a do zlewki nr 8 25cm3 roztworu. Sporządzić naleŜy 7 próbek
roztworów do cechowania o róŜnych (znanych) stęŜeniach jonów siarczanowych, zawartych
w granicach 0-50ppm, przez odpowiednie rozcieńczenie roztworu wzorcowego o stęŜeniu
50ppm wg tabeli.
Następnie do kaŜdej z dziewięciu zlewek odmierza się po 5cm3 tzw. roztworu
kondycjonującego, zapewniającego dobre warunki wytrącenia drobnoziarnistego BaSO4 oraz
trwałość zawiesiny.
KaŜdą próbkę, po dodaniu roztworu kondycjonującego, dokładnie zamieszać, po czym do
kaŜdej wsypuje się po 0,15g BaCl2⋅2H2O jednocześnie bardzo intensywnie mieszając roztwór.
Chlorek barowy jest specjalnie przygotowany przez długotrwałe ucieranie w moździerzu
i przesianie przez odpowiednie sito (30 –40mesh), co takŜe ma na celu zapewnienie tworzenia
się kryształów BaSO4 o jednolitych wymiarach. KaŜdą próbkę kolejno naleŜy mieszać
w ciągu 1 minuty, następnie odstawić na 4 minuty i po powtórnym zamieszaniu (przez 15s)
zmierzyć jej względne zmętnienie R.
Na podstawie wyników pomiaru zmętnienia pierwszych siedmiu próbek naleŜy sporządzić
krzywą kalibracji (zaleŜności R od c wyraŜonego w ppm) i posługując się krzywą odczytać
następnie stęŜenie SO42- w badanych próbkach oznaczonych 8 i 9. Odczytane z wykresu
wartości naleŜy podać w jednostkach ppm i wpisać do tabeli.
6
Wzór sprawozdania
Numer zlewki
Ilość 50ppm roztworu SO42lub analizy [cm3]
Ilość wody destylowanej
[cm3]
StęŜenie SO42[ppm]
Zmętnienie R
[%]
1
2
3
4
5
6
7
5
10
15
20
30
40
50
45
40
35
30
20
10
0
5
10
15
20
30
40
50
7
8
9
Anal. Anal.
25
50
25
0