oznaczanie różnych form azotu w próbkach wody powierzchniowej

Pracownia studencka
Katedry Analizy Środowiska
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Ćwiczenie nr 1
OZNACZANIE RÓŻNYCH FORM AZOTU W
PRÓBKACH WODY POWIERZCHNIOWEJ
METODAMI SPEKTROFOTOMETRYCZNYMI
Nauka o Środowisku
Gdańsk, 2012
Nauka o środowisku – Ćwiczenie 1
2
1. Wstęp
Zawartość azotu ogólnego w próbkach wodnych jest sumą następujących jego form:
Nog = NNH4+ + NNO2- + NNO3- + Norg
Nog - azot ogólny
NNH4+ - azot amonowy (amoniak i jego sole)
NNO2- - azot w postaci azotynów (azotanów (III))
NNO3- - azot w postaci azotanów (azotanów (V))
Norg - azot związany ze związkami organicznymi (z aminokwasów, mocznika amin itp.)
Istnieje również pojęcie azotu Kjeldahla. Jest to suma azotu amonowego oraz
organicznego. Oznacza się go poprzez rozkład związków organicznych w stężonym kwasie
siarkowym wobec siarczanu rtęci jako katalizatora.
Azot amonowy
Azot amonowy występujący w wodach powierzchniowych pochodzi z biochemicznego
rozkładu materii organicznej (zarówno roślinnej i zwierzęcej). Antropogenicznym jego źródłem są
zrzuty ścieków komunalnych lub przemysłowych (np. z koksowni). W
wodach silnie
zanieczyszczonych amoniak pochodzi także z biochemicznego procesu redukcji azotanów. W
wodach podziemnych również może występować amoniak, na skutek redukcji azotanów i
azotynów przez związki redukujące, jak siarkowodór czy piryt (właściwie żelazo). Amoniak jest
związkiem niepożądanym w wodach użytkowych, gdyż utrudnia jej chlorowanie i zwiększa korozję
rur. Z punktu widzenia sanitarnego jest on wraz z jego pochodnymi potencjalnie szkodliwy.
Oznaczenie amoniaku należy wykonać tuż po pobraniu wody, ponieważ szybko się z wody ulatnia.
Azotany(V)
Azotany(V) występują w wodach powierzchniowych naturalnie (w małych ilościach) oraz
wprowadzane są ze ściekami miejskimi, przemysłowymi, z odwodnień kopalń, z pól nawożonych
nawozami azotowymi. Azotany(V) przyczyniają się do szybkiej eutrofizacji (zwiększania żyzności)
wód powierzchniowych. Proces eutrofizacji jest niekorzystny, nie tylko, jeśli dotyczy zbiorników
będących ujęciami wody. W żyznych wodach występują zakwity fitoplanktonu (np. sinic), które
zmniejszają dopływ światła dla roślin i zwierząt wodnych, wydzielają toksyny, są przyczyną
niedoboru tlenu i zatrucia siarkowodorem.
Azotany(V) są produktem utleniania azotu organicznego w obecności tlenu przez bakterie gleby i
wody. Azotany(V) występują zwykle w ściekach świeżych, z czasem ulegają redukcji do
azotanów(III) i amoniaku.
Za wysokie stężenie azotanów(V) w wodzie do picia może powodować zwiększone
zapotrzebowanie na witaminę A, zakłócenia wzrostu. Szczególnie niebezpieczny jest wzrost
Nauka o środowisku – Ćwiczenie 1
3
stężenia azotanów(V) (powyżej 10 mg/l), który powoduje sinicę u niemowląt. Dopuszczalna
zawartość azotanów(V) w wodzie do picia wynosi 50 mg/l, jeśli jest spełniony warunek:
[azotany(V)]/50+[azotany(III)]/3≤1, gdzie wartości w nawiasach kwadratowych oznaczają stężenie
azotanów(V) i azotanów(III) w mg/l, ponadto, aby stężenie azotanów(III) w wodzie wprowadzanej
do sieci wodociągowej lub innych urządzeń dystrybucji nie przekraczało wartości 0,10 mg/l.
Azotany(III)
W wodzie naturalnej azotany(III) występują w bardzo małych ilościach, głównie w wodach z
terenów bagnistych i leśnych. Azotany(III) występują w ściekach z rozkładu azotowych związków
organicznych i redukcji w środowisku beztlenowym azotanów(V). W trakcie chlorowania łatwo
przekształcają się w azotany. Azotany(III) występują w znacznych ilościach w ściekach długo
przetrzymywanych w kanalizacji. Azotany(III) nie są trwałe, są produktem przejściowym w cyklu
przemian azotu, łatwo przechodzą w azotany(V) lub amoniak. Jeśli są obecne w wodzie, to
znaczy, że zachodzą w niej rekcje utleniania i redukcji. Dlatego azotany(III) powinny być
oznaczane razem z azotanami(V). Niekiedy zawartość azotanów(III) może świadczyć o
niekorzystnych procesach zachodzących w wodzie z punktu widzenia sanitarnego. Przekroczenie
stężenia azotanów(III) w wodzie podziemnej powyżej 0,010 mg/l może być wynikiem skażenia jej
szczątkami zwierzęcymi. Potwierdzają to również zwiększone ilości chlorków, amoniaku,
azotanów(V) oraz zwiększona utlenialność.
Szkodliwość azotanów(III) wynika z możliwości tworzenia nitrozwiązków wywołujących procesy
nowotworowe. Dopuszczalna zawartość azotanów(III) w wodzie pitnej wynosi 0,50 mg/l z
zastrzeżeniem jak w przypadku azotanów(V).
2. Oznaczanie azotu całkowitego
Zasada pomiaru
Organiczne i nieorganiczne związki azotu są zgodnie z metodą Koroleff’a przekształcane
do azotanów. Badaną próbkę poddaje się działaniu czynnika utleniającego przy jednoczesnym
podgrzaniu próbki. Powstałe azotany w środowisku kwasu siarkowego i fosforowego, reagują z
2,6-dimetylofenolem (DMF) tworząc pomarańczowy 4-nitro-2,6-dimetylofenol, który jest oznaczany
fotometrycznie.
2.1. Część doświadczalna:
1.
Przygotować spektrofotometr do pracy (czas nagrzewania 15 min). Nałożyć rękawice
ochronne – podczas zajęć stosowane będą silne kwasy.
2.
Mineralizacja próbki
Do szklanych pustych zakręcanych probówek wprowadzić 5 ml badanej wody. Dodać pół łyżeczki
Nauka o środowisku – Ćwiczenie 1
4
odczynnika N-1K, a następnie 3 krople odczynnika N-2K. Probówkę szczelnie zamknąć a
zawartość wymieszać. Ogrzewać przez 1 godzinę w 120°C w termobloku. Następnie wyjąć i
zaczekać do ochłodzenia. Po 10 minutach wstrząsnąć krótko kuwetą.
3. Przygotowanie do pomiaru
Jeśli próbka jest mętna należy ją zdekantować. Odmierzyć 0,5 ml próbki do szklanej kuwety
testowej. Nie mieszać !! Dodać 0,5 ml odczynnika N-3K. Następnie zamknąć szczelnie i
wymieszać. Uwaga!! Kuweta robi się gorąca. Odczekać do schłodzenia.
4. Szklana kuweta służy także jako autoselektor. Należy więc wstawić ją do okrągłego gniazda
pomiarowego zgodnie z zaznaczonym nacięciem w otworze. Przyrząd samodzielnie wybiera
warunki pomiaru a na ekranie pojawia się opis ∑N.
Uwagi- Pomiar mętnej próbki daje zawyżone wyniki. Barwa utrzymuje się do pół godziny po
przygotowaniu próbki.
3. Oznaczanie azotu amonowego metodą spektrofotometryczną
Zasada pomiaru
Azot amonowy (NH4+_N) występuje częściowo w formie jonów amonowych oraz częściowo
jako amoniak. Pomiędzy tymi dwoma formami występuje równowaga zależna od pH. W
roztworach silnie zasadowych azot amonowy występuje głównie jako amoniak, który wchodzi w
reakcję ze środkiem chlorującym, tworząc monochloroaminę. Ta reaguje z tymolem tworząc
zabarwioną na niebiesko pochodną indofenolu, która jest oznaczana fotometrycznie.
3.1. Część doświadczalna:
1. Przygotować spektrofotometr do pomiarów
2. Przygotować próbki do pomiaru
Do probówki odmierzyć kolejno 5 ml wody. Dodać 0,6 ml odczynnika NH4-1 i wymieszać.
Następnie dodać płaską łyżeczkę odczynnika NH4-2. Energicznie wytrzasać do momentu
całkowitego rozpuszczenia odczynnika. Pozostawić na 5 min. Po upływie tego czasu dodać 4
krople odczynnika NH4-3, wymieszać i odczekać kolejne 5 min.
3. Pomiar
Włożyć autoselektor do okrągłego otworu spekolu. Na wyświetlaczu powinien pojawić się napis
NH4 – N. Wstawić kuwetę z badanym roztworem. Uruchomić pomiar i odczytać wynik
Uwagi:
Próbki nie zawierające amoniaku zmieniają barwę na żółtą po dodaniu odczynnika NH4-3
Nauka o środowisku – Ćwiczenie 1
5
4. Oznaczanie azotanów(III) metodą spektrofotometryczną
Zasada pomiaru
Podstawą metody są następujące reakcje:
1.
jonów azotanowych(III) z kwasem sulfanilowym w środowisku kwaśnym (reakcja
diazowania),
2NO2Ө + 2H → 2HNO2 ↔ O=N–O–N=O + H2O
O=N–O–N=O ↔ O=N +
Ө
O–N=O
HSO3–Ar–NH2 + O=N → HSO3–Ar–NH–N=O + H
HSO3–Ar–NH–N=O ↔ HSO3–Ar–N=N–OH
HSO3–Ar–N=N–OH + H → HSO3–Ar–N≡N + H2O
w wyniku której powstaje sól diazoniowa;
2.
soli diazoniowej z dichlorkiem N–(1–naftylo)etylenodiaminy (reakcja sprzęgania),
w wyniku której powstaje barwnik azowy o kolorze czerwonofioletowym.
Reakcja ta jest bardzo czuła i specyficzna dla jonów azotanowych(III). Zawartość
powstałego barwnika oznacza się fotometrycznie i jest ono proporcjonalne do stężenia jonów
azotanowych(III).
Metodę tę można zastosować do badania próbek wód podziemnych, wody pitnej, wód
powierzchniowych, wód morskich, ścieków, żywności - po odpowiednim przygotowaniu i również
gleby - po odpowiednim przygotowaniu.
Stosowany w tej metodzie test kuwetowy dla kuwet 10 mm jest przeznaczony dla próbek o
stężeniu NO2¯ od 0,07 do 3,28 mg/l (od 0,02 do 1,00 mg/l w przeliczeniu na azot z jonu
azotanowego(III), NO2-N). Próbki o większym stężeniu jonów azotanowych(III) muszą być
rozcieńczone wodą dejonizowaną.
W oznaczaniu azotanów(III) w wodzie przeszkadzają jony azotanowe(V), należy je wyeliminować !
Poza tym zakłócać przebieg oznaczenia mogą inne substancje, z których wymienić należy te,
których już niewielkie ilości są przyczyną nieprawidłowych wyników. Są to związki chemiczne
Nauka o środowisku – Ćwiczenie 1
6
zawierające w roztworze:
- Ag+
-
Cr2O72¯
w stężeniu powyżej 1 mg/l,
w stężeniu powyżej 1 mg/l,
- Fe3+
w stężeniu powyżej 1 mg/l,
- S2¯
w stężeniu powyżej 10 mg/l.
Do substancji, które są przyczyną nieprawidłowych wyników należą również związki o
właściwościach redukujących w stężeniu powyżej 10 mg/l.
Próbki, jeśli to możliwe, powinny być analizowane zaraz po pobraniu. Maksymalny czas
przechowywania wynosi 48 godz. w temperaturze 4°C.
4.1. Część doświadczalna:
1. Przygotować spektrofotometr do pomiarów
Po włączeniu aparatu odczekać 15 min, aż nagrzeje się lampa. Następnie wprowadzić
autoselektor NO2¯ albo wprowadzić symbol metody "036", w celu wybrania odpowiednich
warunków pomiaru (patrz: Instrukcja obsługi fotometru Spectroquant®)
Przeprowadzić kontrolę procesu pomiarowego z zastosowaniem roztworu wzorcowego
azotanów(III).
Kontrolę procesu pomiarowego przeprowadza się wykonując pomiar absorbancji mieszaniny
reakcyjnej przygotowanej z roztworu wzorcowego o określonym stężeniu jonów NO2¯ .
Wykonanie:
1. Z roztworu wzorcowego azotanów(III) o stężeniu jonów NO2
¯
c = 1 g/l sporządzić w kolbie
miarowej na 1000 ml roztwór wzorcowy azotanów(III) o stężeniu jonów NO2¯ c = 1 mg/l.
2. Następnie wprowadzić 1 płaską łyżeczkę odczynnika NO2-1 (łyżeczka znajduje się wewnątrz
pojemnika odczynnika NO2-1) do szklanej probówki oraz 5,0 ml świeżo przygotowanego
roztworu wzorcowego azotanów(III) o stężeniu jonów NO2¯ c = 1 mg/l.
3. Zawartość intensywnie wymieszać aż do całkowitego rozpuszczenia odczynnika.
4. Mieszaninę pozostawić na 10 minut (czas reakcji).
5. Przelać próbkę do kuwety 10 mm i dokonać pomiaru w fotometrze przy długości fali λ = 540 nm.
Przeprowadzić analizę dla świeżo pobranej próbki wody powierzchniowej
1. Mętne próbki wody przesączyć przez sączek.
2. Sprawdzić pH wody przy pomocy pasków uniwersalnych. Wartość pH musi być zawarta w
przedziale 2 ÷ 10; jeśli jest inaczej, dla zachowania właściwej wartości pH, należy użyć roztworów
kwasu siarkowego(VI) lub wodorotlenku sodu.
Nauka o środowisku – Ćwiczenie 1
7
Wykonanie pomiaru wody badanej:
1. wprowadzić do szklanej probówki 1 płaską łyżeczkę odczynnika NO2-1,
2. następnie przy pomocy pipety wprowadzić 5,0 ml próbki wody,
3. Wymieszać intensywnie do momentu całkowitego rozpuszczenia odczynnika,
4. Odstawić na 10 minut (czas reakcji),
5. Przelać próbkę do kuwety 10 mm,
6. Wykonać pomiar w fotometrze przy długości fali λ = 540 nm.
Uwagi:
- podane proporcje wody badanej i odczynników są odpowiednie do kuwet 10 mm,
- kuwety używane do pomiaru muszą być bezwzględnie czyste,
- pomiar należy wykonywać w temperaturze 15 ÷ 25°C, pomiar w temperaturze niższej niż 15°C
daje zaniżone wyniki, natomiast w temperaturze powyżej 25°C – zawyżone,
- mętne roztwory dają zawyżone wyniki,
- barwa roztworu po reakcji utrzymuje się przez 60 min, ale wskazane jest wykonywać pomiar
zawsze tak samo po 10 min.,
- pojemniki z odczynnikami zamykać bezpośrednio po użyciu, przechowywać w wymaganych
warunkach.
5. Oznaczanie azotanów(V) metodą fotometryczną
Zasada pomiaru:
Azotany(V) w roztworze zakwaszonym kwasem siarkowym(VI) i fosforowym(V) reagują z
2,6–dimetylofenolem,
tworząc
roztwór
4–nitro-2,6-dimetylofenolu,
który
jest
oznaczany
fotometrycznie.
Azotany(V) w obecności stężonego kwasu siarkowego(VI) przechodzą w kwas azotowy(V), który
reaguje z kwasem siarkowym w myśl równania reakcji:
HNO3
+
2H2SO4
NO2+
+
H3O+
+
2HSO4¯
Następnie zachodzi reakcja nitrowania 2,6-dimetylofenolu:
Powstały 4–nitro-2,6-dimetylofenol absorbuje promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali
320 nm.
Nauka o środowisku – Ćwiczenie 1
8
W oznaczaniu azotanów(V) w wodzie przeszkadzają jony chlorkowe o stężeniu większym niż 1000
mg/l oraz jony azotanowe(III) o stężeniu większym niż 50 mg/l.
Fotometryczne oznaczanie azotanów(III) z 2,6-dimetylofenolem może być stosowane do próbek o
zawartości jonów NO3¯ od 1 do 110 mg/l.
5.1. Część doświadczalna:
1. Przygotować spektrofotometr do pomiarów
Po włączeniu aparatu odczekać 15 min, aż nagrzeje się lampa, następnie wprowadzić autoselektor
NO3¯ dla wybrania odpowiednich warunków pomiaru (patrz: Instrukcja obsługi fotometru
Spectroquant®).
Wykonanie:
1) Przeprowadzić analizę dla świeżo pobranej próbki wody powierzchniowej.
2) Mętne próbki wody przesączyć przez sączek.
3) Przy pomocy pipety wprowadzić do szklanej probówki z korkiem 4,0 ml odczynnika NO3-1.
4) Dodać za pomocą pipety 0,5 ml analizowanej próbki wody (Nie mieszać !).
5) Dodać do probówki za pomocą pipety 0,5 ml odczynnika NO3-2 (Uwaga !!! Po wprowadzeniu
odczynnika NO3-2 probówka zrobi się gorąca). Zamknąć probówkę korkiem i wymieszać.
Mieszaninę pozostawić na 10 minut (czas reakcji).
Pomiar spektrofotometryczny:
- przelać próbkę do kuwety 10 mm i dokonać pomiaru w fotometrze przy długości fali λ = 320 nm.