Analiza specjacyjna

Zakład Chemii Analitycznej
PROBLEMATYKA:
Analiza specjacyjna
TEMAT ĆWICZENIA:
OZNACZANIE JONÓW Fe3+ I Fe2+ OBOK SIEBIE
Z ZASTOSOWANIEM PLANU CZYNNIKOWEGO 22
METODA:
Spektrofotometria UV/VIS
WPROWADZENIE
Specjacja i analiza specjacyjna
Specjacja to występowanie danego pierwiastka w różnych formach i postaciach, np. na
różnych stopniach utlenienia czy w połączeniu z różnymi ligandami, w badanym materiale
(w próbkach środowiskowych, tkankach organicznych czy żywności).
Analiza specjacyjna określa identyfikację i oznaczenie poszczególnych form w konkretnym
materiale.
Poszczególne
indywidua
danego
pierwiastka
różnią
się
własnościami
fizykochemicznymi i działaniem fizjologicznym, stąd obserwuje się coraz większe znaczenie
analizy specjacyjnej w medycynie i ekologii.
Terminy specjacja i analiza specjacyjna mogą odnosić się do różnych sytuacji (np. w
zależności od badanych układów) i w zależności od tego mieć nieco inne znaczenie.
Specjacja szczegółowa obejmuje oznaczanie konkretnych indywiduów chemicznych,
np. w przypadku, gdy jedna z form chemicznych pierwiastka różni się od pozostałych
toksycznością.
Specjacja grupowa dotyczy oznaczenia sumy związków na danym stopniu utlenienia,
np. Cr(III,VI), Sb(III,V).
Specjacja fizyczna opiera się na oddzieleniu form występujących w innych postaciach
fizycznych, w postaci rozpuszczonej lub w zawiesinie, w postaci par lub jako aerozol.
W specjacji operacyjnej o oznaczeniu i/lub wydzieleniu konkretnej grupy związków
decyduje charakter zastosowanej operacji analitycznej, np. oznaczenie labilnych i
inertnych form występowania danego pierwiastka możliwe jest za pomocą pewnych
technik woltamperometrycznych.
Specjacja cytologiczna polega na rozdzieleniu / wydzieleniu poszczególnych frakcji na
poziomie subkomórkowym, a następnie oznaczeniu technikami mikroanalitycznymi
charakteryzującymi się dużą rozdzielczością (np. laserowa mikrospektrometria mas).
W przypadku wydzielenia frakcji o danej bioprzyswajalności, poprzez stworzenie
warunków zbliżonych do naturalnych, mamy do czynienia ze specjacją funkcjonalną.
Polega ona na oznaczaniu związków pierwiastków o określonej aktywności chemicznej
i biologicznej.
Przystępując do analizy specjacyjnej musimy zdawać sobie sprawę z szeregu trudności,
które są z tym związane i możliwości popełnienia potencjalnych pomyłek.
1
Zakład Chemii Analitycznej
Analiza specjacyjna to oznaczanie w większości przypadków form będących jedynie
częścią całkowitego stężenia danego pierwiastka, czyli indywiduów występujących w bardzo
małych stężeniach. Jest to, więc analiza śladowa. W związku z tym konieczne jest
dysponowanie procedurami analitycznymi o wykrywalności mniejszej, o co najmniej jeden
rząd wielkości, niż w przypadku oznaczania całkowitych zawartości.
Kolejny problem stanowi nietrwałość oznaczanych analitów i możliwość ich
wzajemnych przemian. Zmiana specjacji w układach labilnych, z którymi mamy do czynienia
w wodach i płynach biologicznych, może być spowodowana zmianą takich parametrów jak
pH, siła jonowa czy temperatura.
Bardzo istotny jest efekt matrycy. Usunięcie lub rozłożenie matrycy może w znacznym
stopniu lub nawet całkowicie zmienić pierwotną specjację w badanym materiale. W próbkach
biologicznych często anality związane są z makrocząsteczkami, wtedy zbyt drastyczne
usunięcie matrycy uniemożliwia poznanie pierwotnego składu specjacji.
W analizie wód naturalnych często spotykanym sposobem postępowania jest badanie
specjacji fizycznej na drodze rozdzielenia faz wykorzystując różne warianty filtracji. Jednakże
granica pomiędzy materią rozpuszczoną a "zawieszoną" jest umowna (standardowo 0.45 m)
i nie wiąże się z żadnym ostrym podziałem występującym w próbkach naturalnych, i
związanych z charakterem chemicznym indywiduów. W grupie tej występują układy
koloidowe - tlenki manganu, żelaza i glinu, siarczki metali, minerały węglanowe i gliny, oraz
wirusy. Układy skoagulowane, osady krystaliczne oraz bakterie i algi będą występowały w
fazie "zawieszonej". W każdej z grup zachodzą procesy adsorpcji, współstrącania czy
wymiany jonowej czego konsekwencją jest zatarcie ostrej granicy podziału. Dodatkowo oba
układy - rozpuszczony i zawieszony - wzajemnie na siebie oddziałują i pozostają ze sobą w
równowadze, choć zwykle ustalającej się dość powoli.
Badając specjację w fazie zawieszonej najczęściej traktuje się tą fazę jednolicie
prowadząc rozpuszczanie w drastycznych warunkach i oznaczając całkowitą zawartość
pierwiastków w uzyskanym roztworze.
Kompletne (całkowite) badanie specjacji w fazie rozpuszczonej musi uwzględniać wiele
czynników warunkujących określony obraz specjacji:
zasolenie, a więc obecność nadmiaru elektrolitów,
pH, istotne ze względu na przesuwanie równowagi w układach protolitycznych,
stężenie tlenu, a właściwie potencjał redoks, szczególnie ważny w przypadku badania
pierwiastków występujących na różnych stopniach utlenienia,
całkowita zawartość organicznych związków węgla, wraz z możliwymi informacjami o
naturze tych związków,
warunki fizyczne, jak temperatura, ciśnienie (związane z głębokością pobierania
próbki).
Z oczywistych względów najlepiej jest oznaczać poszczególne indywidua bezpośrednio
w pobranych próbkach bez wstępnego przetwarzania. Jednak niewystarczająca granica
detekcji metod o dużej specyficzności pozwala na to tylko w nielicznych przypadkach.
W przypadku pierwiastków o zmiennej wartościowości często wyznacza się jedynie
udział poszczególnych stopni utlenienia, jak np. w analizie specjacyjnej chromu, antymonu,
selenu. Dotyczy to przede wszystkim sytuacji, gdy znaczące różnice w toksyczności
związków związane są z różnym stopniem utlenienia, lub gdy nie dysponujemy odpowiednią
wiedzą dotyczącą właściwości oraz gdy brak jest skutecznych metod analitycznych. Stosuje
się wtedy specjację operacyjną, np. technikami woltamperometrycznymi oznacza się związki
labilne i inetrne, albo metodami chromatograficznymi rozróżnia się formy zatrzymywane na
określonych wypełnieniach, lub też związane nieorganicznie lub organicznie (jeśli związki
organiczne ulegają rozkładowi pod wpływem naświetlania promieniowaniem UV).
2
Zakład Chemii Analitycznej
Żelazo w przyrodzie
Związki żelaza występują w wodach naturalnych w niewielkich stężeniach. W wodach
powierzchniowych stężenie żelaza rzadko przekracza kilka mg/dm3. Niektóre wody
podziemne zawierają więcej żelaza - do kilkudziesięciu mg/dm3.
Żelazo w wodzie może występować w formie rozpuszczonej, koloidalnej lub jako
zawiesina. Koloidy występują zwykle w obecności substancji organicznych, np. związków
humusowych, a także w postaci nieorganicznych lub organicznych kompleksowych związków
żelaza. Wytrącanie się wodorotlenku żelaza(III) z wód zawierających humusany odbywa się z
udziałem bakterii, które rozkładają sole, uwalniając jony Fe2+ lub Fe3+. W głębokich
zbiornikach wody stojącej mogą się ustalić strefy występowania związków żelaza. Bliżej dna,
na skutek procesów redukcyjnych przeważa żelazo w postaci Fe(II), natomiast bliżej
powierzchni pod wpływem powietrza przeważa żelazo na trzecim stopniu utlenienia.
Obecność żelaza w ściekach jest związana z zastosowaniem tego pierwiastka w
metalurgii, przemyśle farbiarskim, galwanotechnice i garbarstwie. Związki żelaza stosuje się
m.in. jako koagulanty przy oczyszczaniu gazów z siarki. Niektóre gałęzie przemysłu, np.
papierniczy, włókienniczy lub fotograficzny, wymagają wody całkowicie pozbawionej żelaza.
Całkowitą zawartość żelaza w wodzie oznacza się np. metodami spektrometrii
atomowej: ASA i ASE, lub spektrofotometrycznie, z zastosowaniem rodanku po uprzednim
utlenieniu żelaza do Fe(III), albo za pomocą 1,10-fenantroliny lub dipirydylu po
zredukowaniu żelaza do Fe(II).
Kontrola jakości wody, badania z zakresu ekologii, analiza środków spożywczych,
płynów ustrojowych czy leków wymagają znajomości stężenia żelaza na obu stopniach
utlenienia. Zwykle Fe(II) oznacza się przed i po redukcji żelaza w badanej próbce wody, a
zawartość Fe(III) oblicza się z różnicy wyników tych oznaczeń. Alternatywnie można
oznaczać Fe(III) przed i po utlenieniu Fe(II) w próbce.
Równoczesne oznaczanie Fe(II) i
miareczkowania kompleksometrycznego
Fe(III)
metodą
spektrofotometrycznego
Opisana poniżej procedura oznaczania żelaza metodą dwuskładnikowego
kompleksometrycznego miareczkowania spektrofotometrycznego nadaje się do analizy
specjacyjnej żelaza Fe(II) i Fe(III) np. w wodach mineralnych i źródlanych. Miareczkowanie
spektofotometryczne polega na śledzeniu zmian absorbancji zachodzących pod wpływem
dodawania titranta do roztworu analitu. Warunkiem zastosowania tej metody jest
występowanie charakterystycznej absorpcji promieniowania przez substancję miareczkowaną,
titrant lub produkt reakcji zachodzącej między nimi.
Zastosowane spektrofotometryczne oznaczanie Fe(II) i Fe(III) polega na
miareczkowaniu roztworem EDTA badanej próbki, do której dodano uprzednio nadmiar
mieszaniny wskaźników: kwasu sulfosalicylowego i 1,10-fenantroliny. W środowisku
kwaśnym (pH=3.0) kwas sulfosalicylowy wiąże obecne w próbce Fe(III) w
czerwonofioletowy kompleks 1:1 ( =490 nm), natomiast 1,10-fenantrolina tworzy
pomarańczowy kompleks z Fe(II) w stosunku 3:1 ( = 512 nm). Początkowa absorbancja
próbki pochodząca od tych kompleksów ustala się po około 5 minutach od momentu dodania
nadmiaru wskaźników. W trakcie dodawania roztworu titranta kwas sulfosalicylowy zostaje
wyparty z kompleksu z Fe(III) przez EDTA. Zachodzący proces jest uwarunkowany przez
stałe trwałości poszczególnych kompleksów. W miarę postępu miareczkowania wartość
absorbancji maleje, ponieważ zarówno wyparty z kompleksu kwas sulfosalicylowy, jak i
kompleks Fe(III)-EDTA są bezbarwne. W punkcie końcowym miareczkowania, gdy całkowita
zawartość Fe(III) jest związana w bezbarwny kompleks z EDTA, absorbancja roztworu osiąga
3
Zakład Chemii Analitycznej
wartość stałą, która pochodzi od pomarańczowych kompleksów Fe(II) z 1,10-fenantroliną.
Przykładową krzywą miareczkowania spektrofotometrycznego przedstawia rys.1. Poprzez
ekstrapolację prostoliniowych odcinków krzywej wyznacza się punkt końcowy
miareczkowania Fe(III), któremu odpowiada objętość V titranta. Wartość absorbancji A
(Rys.1) jest skorelowana z zawartością Fe(II).
Pomiary absorbancji wykonuje się przy długości fali 530 nm. Wybrana długość fali nie
odpowiada maksimum absorpcji barwnych związków. Wyboru takiego dokonano w celu
uniknięcia zbyt dużej absorbancji (>1) w przypadku roztworów zawierających większe ilości
Fe(II) i Fe(III).
Aby określić rzeczywiste stężenia Fe(II) i Fe(III) należy przeprowadzić kalibrację opartą
na wynikach miareczkowania odpowiednich roztworów wzorcowych, przygotowanych tak jak
opisano poniżej.
A
AFe(III) + AFe(II)
AFe(II)
VEDTA
VFe(III)
Rys.1. Przykładowa krzywa spektrofotometrycznego miareczkowania Fe(III) i Fe(II) roztworem EDTA;
objętość titranta V punktu końcowego jest proporcjonalna do zawartości Fe(III), natomiast absorbancja
AFe(II) jest związana z pojawieniem się barwy pochodzącej tylko od obecności kompleksu Fe(II)
w roztworze.
Kalibracja
W kalibracji stosujemy 4 roztwory wzorcowe, w których stężenia Fe(II) i Fe(III) są
dobierane zgodnie z planem czynnikowym 22, gdzie czynnikami są stężenia Fe(II) i Fe(III) a
każde stężenie występuje na dwóch poziomach. Plan taki przedstawiono na rysunku 2.
Dla ogólności zapisu stężenia obu form żelaza w roztworach wzorcowych (c1i i c2i)
"kodujemy" czyli zamieniamy na wielkości bezwymiarowe stosując wzory:
~c 1i = (c1i - c1(0))/Δc1, ~c 2i = (c2i - c2(0))/Δc2,
4
(1)
Zakład Chemii Analitycznej
gdzie i jest indeksem roztworu wzorcowego, c1(0), c2(0), c1, c2 objaśniono na rysunku 2.
Wyniki zestawia się w tabeli 1 (patrz: skład roztworu wzorcowego). Na podstawie wyników
miareczkowania roztworów wzorcowych, tzn. współrzędnych punktów końcowych
miareczkowania, Ai i Vi, zebranych w tabeli 2, wyprowadza się następujące równania
kalibracyjne:
(1)
(1)
c 1 + B2(1) ~c 2 + B12(1) ~c 1 ~c
A = B0 + B1 ~
(2)
(2) ~
(2)
(2)
c 1 ~c
V = B0 + B1 c 1 + B2 ~c 2 + B12 ~
2
(2)
gdzie ~c 1 i ~c 2 - stężenia rzeczywiste (prawdziwe) odpowiednio Fe(II) i Fe(III), wyrażone w
jednostkach kodowanych (równania 1). Współczynniki regresji B1(k) , B2(k) , B12(k) (k=1,2)
oblicza się z podanych niżej wzorów (3):
1
(A1+A2+A3+A4)
4
1
(1)
B1 = (A1+A2–A3–A4)
4
1
(1)
B2 = (A1–A2–A3+A4)
4
1
(1)
B12 = (A1–A2+A3–A4)
4
(1)
B0
=
1
(V1+V2+V3+V4)
4
1
(2)
B1 = (V1+V2–V3 –V4)
4
1
(2)
B2 = (V1–V2 –V3 +V4)
4
1
(2)
B12 = (V1–V2+V3–V4)
4
(2)
B0
=
(3)
Zauważmy, że równania kalibracyjne (2) wiążą prawdziwe stężenia Fe(II) i Fe(III),
odpowiednio ~c 1 i ~c 2 (w jednostkach kodowanych), ze współrzędnymi punktu końcowego
miareczkowania wyznaczonymi z krzywej. Zatem równania kalibracyjne (2) mogą służyć do
wyznaczania stężenia obu form żelaza w próbkach analizowanych w identycznych warunkach
doświadczalnych co roztwory wzorcowe. Tego typu kalibracja zostanie wykorzystana w
ćwiczeniu.
ZAGADNIENIA DO KOLOKWIUM
1.
Podaj treść prawa Bougera-Lambert-Beera, wielkości, jednostki.
2.
Podaj wzór, opisz poszczególne symbole i omów prawo addytywności absorbancji.
3.
Wymień i krótko omów przyczyny odstępstw od prawa absorpcji.
4.
Wymień i krótko opisz wielkości, które charakteryzują metody spektrofotometryczne.
Jakie znasz wielkości opisujące czułość metod spektrofotometrycznych? Kiedy
rozpatrywana metoda spektrofotometryczna jest czuła?
5.
Przedstaw na rysunkach możliwe do rejestracji krzywe miareczkowania w zależności od
tego, który ze składników układu wykazuje absorpcję. Jaka jest zasada miareczkowania
spektrofotometrycznego?
6.
Co to jest specjacja? Podaj 3 przykłady. Wymień i krótko opisz specyficzne trudności, z
którymi związana jest analiza specjacyjna.
7.
Co to jest analiza specjacyjna? Podaj przykład, krótko opisz (inny niż omawiany
podczas realizacji ćwiczenia, 2-3 zdania).
8.
Krótko opisz zasadę równoczesnego spektrofotometrycznego oznaczania żelaza(II) i
żelaza(III) w wodzie.
5
Zakład Chemii Analitycznej
9.
Jak rozumiesz zapis planu czynnikowego XY (X,Y = 2 lub 3)? Narysuj odpowiedni
wykres planu czynnikowego XY przedstawiony w zmiennych oryginalnych. Ile należy
przygotować roztworów w celu realizacji zadanego planu (typ polecenia).
10.-12. W naszym posiadaniu jest r-r wzorcowy Fe2+ o stężeniu X1 mol/dm3. Ile cm3 tego r-ru
należy odpipetować do kolby miarowej o objętości Y1 cm3 jeśli wiadomo, że Y2 cm3 r-ru z
kolby należy przenieść do kuwety i rozcieńczyć do objętości Y3 cm3 otrzymując r-r o stężeniu
X2 mol/dm3 (typ zadania – w zadaniu będą podane wartości Xn i Yn – podczas sprawdzianu
pisemnego należy podać stężenie roztworu roboczego i wyliczyć wartość stężenia).
LITERATURA
1.
A. Hulanicki: Współczesna chemia analityczna. Wybrane zagadnienia, PWN, W-wa
2001, rozdz. 10, 57-65, 68-72, 77.
2.
A. Cygański: Metody spektroskopowe w chemii analitycznej, WNT, W-wa 1997, rozdz.
3.2.2 - 3.2.8.
3.
A.D. Skoog, D.M. West, F.J. Holler, i inni, Podstawy chemii analitycznej, PWN, W-wa
2007, rozdz. 24C, 226-232; 237-242
LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
4.
W. Hermanowicz, J. Dojlido, W. Dożańska, B. Koziorowski, J. Zerbe: Fizykochemiczne badanie wody i ścieków, Arkady, W-wa 1999, rozdz. 2.1., 2.3.65 i 3.4.70
CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA
CEL ĆWICZENIA
Równoczesne oznaczanie Fe(II) i Fe(III) w wodach naturalnych metodą miareczkowania
spektrofotometrycznego.
Zapoznanie się z:
- pojęciem specjacji i analizy specjacyjnej,
- kalibracją opartą na planie czynnikowym 22,
PRZYRZĄDY, NACZYNIA I ODCZYNNIKI
spektrofotometr SPEKOL 11 firmy Carl Zeiss–Jena z przystawką do miareczkowania,
biureta automatyczna Titronic® Universal, firmy Schott, (schemat zestawu
przedstawiono na rysunku 3),
kuwety szklane o pojemności 30 ml,
mieszadło i mieszadełka magnetyczne,
mikropipeta o pojemności 200 l, pipety automatyczne o pojemności do 10 ml,
kolby miarowe o pojemności 25 i 100 ml,
zlewki o pojemności 25 i 50 ml,
tryskawki,
małe sitko z tworzywa sztucznego,
roztwory: 0,002 mol/dm3 roztwór EDTA, 0,16 mol/dm3 roztwory Fe(II) i Fe(III),
roztwór HNO3 o pH~3, mieszanina wskaźników: 0,2% roztworu 1,10 - fenantroliny i
0,2% roztworu kwasu sulfosalicylowego.
6
Zakład Chemii Analitycznej
(b)
(a)
~c 2
c2
4 (-1,1)
2 Δc1
1
1 (1,1)
1
4
wzory (1)
(0)
c2
2 Δc2
1
-1
c23
~c 1
wzory (4)
3
2
3 (-1,-1)
(0)
c13
c1
-1
2 (1,-1)
c1
2
Rys.2. Plan czynnikowy 2 przedstawiony w zmiennych oryginalnych (a) i kodowanych (b);
c1, c2
– oryginalne stężenia odpowiednio Fe(II) i Fe(III);
~c 1, ~c 2 – stężenia kodowane odpowiednio Fe(II) i Fe(III);
(0)
(0)
c1 , c2
– stężenia Fe(II) i Fe(III) w punkcie środkowym planu;
Δc1, Δc2 – połowy różnic między wartościami stężeń w jakich występują odpowiednio Fe(II) i Fe(III) w roztworach wzorcowych; punkty (wierzchołki) planu:
1, 2, 3 i 4 reprezentują skład roztworów wzorcowych.
7
Zakład Chemii Analitycznej
SPOSÓB WYKONANIA
UWAGA: Studenci dzielą się na dwie podgrupy. Każda z nich:
przygotowuje swoje roztwory i opracowuje uzyskane wyniki oddzielnie korzystając z
odrębnych stanowisk pracy,
oddaje oddzielny raport,
w celu pełnej dyskusji podgrupy wymieniają się wynikami końcowymi dotyczącymi
oznaczonej zawartości Fe(II) i Fe(III) w próbce.
1. Przygotowanie aparatury do pracy
Przygotować zestaw do miareczkowania do pracy według wskazówek prowadzącego zajęcia
oraz posługując się instrukcją obsługi spektrofotometru. Zwrócić szczególną uwagę na to, aby
w rurkach doprowadzających titrant do miareczkowanego roztworu nie było pęcherzyków
powietrza. Po każdym miareczkowaniu sprawdzić objętość titranta w biurecie i w razie
konieczności przed kolejnym miareczkowaniem napełnić biuretę.
2. Analiza specjacyjna żelaza w wodach naturalnych
2.1. Sporządzenie roboczych roztworów wzorcowych
Przygotować roztwory robocze Fe(II) i Fe(III) o stężeniu 0,00032 mol/dm3 poprzez
rozcieńczenie podstawowych roztworów Fe(II) i Fe(III) o stężeniu 0,16 mol/dm3. W tym celu
należy rozcieńczyć je 500-krotnie ( w kolbie miarowej o pojemności 100 mL, roztworem 0,001
moL/dm3 HNO3 ).
2.2. Przygotowanie roztworów wzorcowych do miareczkowania
Przygotować roztwory wzorcowe według wytycznych ilościowych podanych w poniższej
tabeli.
Tabela 1. Skład roztworów wzorcowych.
a)
Objętość [ml]
Nr roztworu
wzorcowego
a)
Wi, Wi’
HNO3
Fe(II)
Fe(III)
Mieszanina
wskaźników
0
14,5
-
-
0,5
W1, W1’
8,5
2,0
4,0
0,5
W2, W2’
11,5
2,0
1,0
0,5
W3, W3’
13,0
0,5
1,0
0,5
W4, W4’
10,0
0,5
4,0
0,5
Wi oraz Wi’ (i=1, 2, 3, 4) – roztwory wzorcowe odpowiednio pierwszej i drugiej grupy studentów
W celu uzyskania ilościowego przebiegu reakcji barwnych wykorzystywanych w ćwiczeniu
należy odczekać 10 min od zadania roztworu mieszaniny wskaźników do roztworu wzorców.
Roztwory próbek wzorcowych należy przygotować w niżej opisany sposób:
8
Zakład Chemii Analitycznej
Do kuwety szklanej o pojemności 30 ml dla wzorca W1 i W2 po ściance, delikatnie
włożyć mieszadełka (delikatne umieszczenie mieszadełko w kuwecie zapobiegnie
uszkodzeniu ścianek kuwety lub rozbiciu mieszadełka)
Do wszystkich przygotowanych kuwet szklanych (dla roztworów próbek wzorców i
próbek badanych) odpipetować odpowiednie objętości kwasu HNO3 (0,001 moL/dm3),
Następnie do wszystkich kuwet odpipetować odpowiednie ilości roztworu roboczego
Fe(III),
Tylko do kuwety dla wzorca W1 odpipetować odpowiednią ilość roztworu roboczego
Fe(II). Natychmiast dodać wskaźnika i umieścić kuwetę na mieszadle magnetycznym na
10 sekund. Zanotować czas. Odstawić na 10 minut. (Należy kontrolować czas stoperem)
Po 5-6 minutach od przygotowania roztworu wzorca W1 w podobny sposób
przygotować wzorzec W2.
Po upływie 10 min dla wzorca W1 rozpocząć miareczkowanie roztworem EDTA
mierząc absorbancję przy długości fali 530 nm. (Pamiętać o kontrolowaniu czasu dla
wzorca W2).
Przed przystąpieniem do miareczkowania roztworu wzorca W2 przygotować w
analogiczny sposób wzorzec W3. (Należy użyć mieszadełko magnetyczne ze wzorca W1
– pamiętać o umyciu wodą destylowaną na sitku i osuszeniu bibułką przed włożeniem
do kuwety).
Postępować w analogiczny sposób z kolejnymi próbkami.
Ilości roboczych roztworów wzorcowych Fe(II) i Fe(III) dobrano tak, aby po
rozcieńczeniu do objętości 15 ml stężenia analitów odpowiadały planowi czynnikowemu 22.
2.3.
Przygotowanie badanych wód do analizy
Studenci dostają do analizy próbki wód syntetycznych o składzie zbliżonym do
naturalnej zawartości żelaza w próbkach wód źródlanych: Zdrój Królewski i Zdrój Nadzieja z
terenu Krakowa.
(W przypadku próbek naturalnych wód pobranych ze źródła (wody źródlane: Zdrój Królewski
i Zdrój Nadzieja) zakwasić stężonym kwasem azotowym(V) do pH~3 i usunąć przeszkadzające
składniki lotne (np. H2S) przepuszczając przez próbkę azot przez około 15 minut).
Roztwory próbek badanych należy przygotować w niżej opisany sposób:
do dwóch kuwet odpipetować 4,5 ml kwasu HNO3 (0.001 moL/ dm3), 10 ml roztworu
badanej wody P1 i P2 (pamiętać o mieszadełku),
do jednej próbki (np. P1) dodać 0,5 ml mieszaniny wskaźników
umieścić kuwetę na mieszadle magnetycznym na 10 sekund. Zanotować czas. Odstawić
na 10 minut.
Po 5-6 minutach od przygotowania próbki P1 w podobny sposób przygotować próbkę
P2.
Miareczkować sporządzone roztwory analogicznie jak roztwory wzorcowe.
9
Zakład Chemii Analitycznej
OPRACOWANIE WYNIKÓW
3. Wyniki i ich opracowanie
3.1 Sporządzenie krzywych miareczkowań
3.2 Wyznaczenie współczynników B w równaniach kalibracyjnych
Na drodze ekstrapolacji prostoliniowych odcinków krzywych miareczkowań wyznaczyć
punkty końcowe miareczkowań wzorców. Współrzędne tych punktów, tj. absobancję Ai
i objętość titranta Vi, umieścić w tabeli 2 (zwrócić uwagę na numerację roztworów
wzorcowych).
Tabela 2. Analiza roztworów wzorcowych
Nr roztworu
wzorcowego
*)
Skład roztworu wzorcowego
a)
Punkt końcowy miareczkowania
~c 1i
~c 2i
Ai
V i [ml]
W1
1
1
Ai
V1
W2
1
-1
A2
V2
W3
-1
-1
A3
V3
W4
-1
1
A4
V4
~c 1i i ~c 2i oznaczają stężenia "kodowane" odpowiednio Fe(II) i Fe(III) w i-tym roztworze wzorcowym.-
patrz rysunek 1.
Następnie na podstawie wzorów (3) obliczyć współczynniki regresji B w równaniach
kalibracyjnych (2) i zapisać układy równań kalibracyjnych (zwrócić uwagę na jednostki
współczynników B).
3.3. Wyznaczenie stężenia Fe(II) i Fe(III) w badanych wodach
Z krzywych miareczkowań rozcieńczonych roztworów próbek wyznaczyć współrzędne
punktów końcowych miareczkowań, a następnie podstawić uzyskane wartości absorbancji A i
objętości titranta V do równań kalibracyjnych (2) i rozwiązać otrzymany układ równań ze
względu na ~c 1 i ~c 2. Rozwiązaniem układu równań są stężenia Fe(II) i Fe(III) wyrażone w
jednostkach kodowanych (gdy proces kalibracji jest przeprowadzony prawidłowo otrzymane
wartości ~c 1 i ~c 2 zawierają się w granicach < 1,1> Jedną z takich wartości należy wziąć do
dalszych obliczeń).
Stężenia wyrażone w zastosowanych jednostkach oryginalnych (np. g/cm3) obliczyć z
następujących wzorów wynikających z równań (1):
c1 =
(0)
(0)
~
c 1 · c1 +c1 , c2 = ~
c 2 · c2 +c2
(4)
Przeliczyć otrzymane wartości uwzględniając fakt, że miareczkowano rozcieńczone roztwory
próbek, tzn. do kuwety miareczkowej odpipetowano 10 ml badanej wody i rozcieńczono ją do
objętości 15 ml.
Uzyskane wyniki zestawić w tabeli 3 z następującymi kolumnami:
10
Zakład Chemii Analitycznej
Tabela 3. Zawartość Fe(II) i Fe(III) w badanych próbkach.
Nazwa
badanej
wody
Stężenie analitów w roztworze
miareczkowanej próbki
Nr
Vx
Serii
[ml]
Jednostki kodowane
Fe(II)
P1
Fe(III)
Jednostki
oryginalne [μg/ml]
Fe(II)
Stężenie
analitów
w badanej
wodzie[μg/ml]
Fe(II)
Fe(III)
Fe(III)
I
II
P2
I
II
Vx - Objętość próbki do miareczkowania [ml]
Przeprowadzić dyskusję wyników (zagadnienia
omawiane podczas ćwiczenia).
11
jakie powinny być ujęte w dyskusji są
Zakład Chemii Analitycznej
Załącznik 1.
OSTRZEŻENIA DOTYCZĄCE EWENTUALNYCH
NIEBEZPIECZEŃSTW
Niebezpieczne odczynniki chemiczne: roztwory jonów żelaza(II) [amonu siarczan(IV)
żelaza(II)] i żelaza(III) [amonu siarczan(IV) żelaza(III)], kwas azotowy(V), 5-kwas
sulfosalicylowy 2-hydrat, 1,10-fenantrolina (na ćwiczeniu używane jako rozcieńczone
roztwory) są cieczami:
1) działającymi drażniąco na skórę;
2) działającymi drażniąco na oczy;
3) mogącymi powodować podrażnienie dróg oddechowych;
4) mogącymi intensyfikować pożar; utleniacz;
5) działającymi toksycznie po połknięciu;
6) działającymi bardzo toksycznie na organizmy wodne, powodując długotrwałe skutki.
Z tego względu należy:
Ad.1. Stosować rękawiczki ochronne/ odzież ochronną.
Ad.2. W przypadku dostania się do oczu: Ostrożnie płukać wodą przez kilka minut.
Wyjąć soczewki kontaktowe, jeżeli są i można je łatwo usunąć. Nadal płukać.
Ad.3. Unikać wdychania pyłu/ dymu/ gazu/ mgły/ par/ rozpylonej cieczy.
Ad.4. Trzymać/przechowywać z dala od odzieży/materiałów zapalnych.
Ad.5. Natychmiast skontaktować się z OŚRODKIEM ZATRUĆ lub z lekarzem.
Ad.6. Unikać uwolnienia do środowiska. Zawartość/ pojemnik usuwać do
autoryzowanego zakładu utylizacji odpadów.
Inne zagrożenia:
1) porażenie prądem elektrycznym
2) promieniowanie w zakresie nadfioletu oraz widzialnym (UV-Vis).
Z tego względu należy:
Stosować się do przepisów obsługiwania i wskazań personelu wykwalifikowanego
(asystenta). Nie wolno korzystać z uszkodzonych aparatów i przyrządów elektrycznych. Nie
wolno korzystać z aparatów i przyrządów elektrycznych, w tym również włączanie
i wyłączanie aparatury, bez zgody pracownika nadzorującego ćwiczenia. Wszystkie prace na
aparaturze należy wykonywać zgodnie z opisem zawartym w instrukcji ćwiczenia oraz
instrukcji obsługi aparatu i urządzenia elektrycznego. Dodatkowo, należy:
Ad.1. Osłonić części będące pod napięciem, w celu uniemożliwienia ich dotknięcia;
często kontrolować stan izolacji urządzeń oraz urządzeń ochronnych; zachować
środki ostrożności przy wysokim napięciu oraz w pomieszczeniach wilgotnych.
Nie wolno w czasie pracy urządzeń elektrycznych dokonywać zmian i napraw w
urządzeniach elektrycznych.
Ad.2. Sprawdzić czy zastosowane do wykonywania ćwiczenia przyrządy podłączone są
zgodnie z ich instrukcją użycia. Nie wolno patrzeć bezpośrednio na źródło
promieniowania, w szczególności bez okularów ochronnych.
12
Zakład Chemii Analitycznej
Załącznik 2
zasilanie
mieszadła
magnetycznego
SPEKTROFOTOMETR
SPEKOL 11
Biureta
automatyczna
kuweta z próbką
końcówka
biurety
przystawka do miareczkowania Ti
Rys. 3. Schemat zestawu do miareczkowania spektrofotometrycznego
13