Chemia i technologia materialow barwnych_Spektrofotometria

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ
Ćwiczenia laboratoryjne
CHEMIA I TECHNOLOGIA MATERIAŁÓW BARWNYCH
BADANIE WŁAŚCIWOŚCI ZWIĄZKÓW BARWNYCH Z
WYKORZYSTANIEM SPEKTROFOTOMETRII UV-VIS
GDAŃSK ROK 2011
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie Studentów z metodami wyznaczania takich stałych
fizykochemicznych substancji barwnych, jak stała dysocjacji, stała trwałości
kompleksu oraz znaczeniem tych wielkości w chemii analitycznej, gdzie substancje
barwne znajdują szerokie zastosowanie.
2. Wprowadzenie
2.1. Wstęp
Związki barwne znajdują szerokie zastosowanie m.in. w chemii analitycznej zarówno
w analizie klasycznej jak i w metodach instrumentalnych. Mogą być one
wykorzystane do wykrywania i/lub oznaczania ilościowego określonych analitów o
różnym charakterze chemicznym (kationów metali, anionów nieorganicznych i
organicznych, jak i substancji organicznych np. amin czy fenoli). W klasycznej
analizie ilościowej związki barwne stosowane są bardzo często w analizie
wolumetrycznej
jako
wskaźniki
w
miareczkowaniach
alkacymetrycznych,
kompleksonometrycznych, strąceniowych czy redoks. Również w technikach
instrumentalnych np. w spektrofotometrii UV-Vis wykorzystuje się zdolność
określonych związków do tworzenia barwnych, rozpuszczalnych i trwałych związków
kompleksowych o jednoznacznym składzie chemicznym z oznaczanym analitem.
Związki barwne o ściśle określonej budowie mogą być zastosowane do oznaczeń
zarówno w roztworach wodnych, rozpuszczalnikach organicznych oraz w układach
mieszanych rozpuszczalników. Zakres stosowalności określonego odczynnika
chromogenicznego zależy od wielu czynników. Decydujący wpływ mają takie
właściwości,
jak
np.
wartość
stałej
dysocjacji
(w
przypadku
wskaźników
alkacymetrycznych) czy skład i wartość stałej trwałości tworzącego się kompleksu (w
metodach kompleksometrycznych). Wyznaczane stałe fizykochemiczne zależą od
warunków pomiaru m.in. takich, jak temperatura, zastosowany rozpuszczalnik.
Metody analityczne wykorzystujące związki barwne stosowane są w wielu
dziedzinach:
analityce
zanieczyszczeń
środowiska,
analityce
medycznej,
farmaceutycznej i in.
Prowadzone przez ostatnich kilkadziesiąt lat intensywne badania nad wysoce
selektywnymi (jeśli nie specyficznymi) odczynnikami kompleksującymi spowodowały,
że przy wykorzystaniu związków barwnych można oznaczać większość indywiduów
2
chemicznych
(kationy
metali,
aniony
organiczne
i
nieorganiczne,
obojętne
cząsteczki).
2.2.
Klasyczne wskaźniki pH
Pomiary pH należą do najczęściej wykonywanych pomiarów w laboratorium. Można
do tego celu wykorzystać metodę potencjometryczną a także metodę wizualną z
zastosowaniem odpowiednich wskaźników pH (indykatorów). Wskaźnikami pH są to
związki organiczne o charakterze słabych kwasów lub zasad. W roztworze wodnym
ulegają one dysocjacji tworząc odpowiednio zabarwiony jon.
Są
one
stosowane
do
wyznaczania
punktu
końcowego
miareczkowania
alkacymetrycznego oraz określania pH roztworu. W reakcji z wodą tworzą układy
sprzężone kwas-zasada.
Wyróżnia się wskaźniki dwubarwne (np. oranż metylowy, należący do grupy
barwników azowych) oraz jednobarwne (np. fenoloftaleina, należąca do grupy
barwników triarylometinowych). Na rysunku 1 przedstawiono fenoloftaleinę i
odpowiadające jej formy w zależności od pH.
_
_
_
OH
O
C
O
O
- H+
C
O
+
H+
O
C
O
C
O
- H+
- H+
+ H+
+ H+
+ H+
_
- H+
O
O
_
_
OH
HO
C
C
C
O
_
C O
O
O
+OH-
O
O
C
OH
COO
OH
HO
_
- 2H+
+ 2H+
- OH-
C
OH
_
COO
Rys.1. Fenoloftaleina – jednobarwny wskaźnik pH.
Ważnym parametrem cechującym tego typu wskaźniki jest wartość ich stałej
dysocjacji. Zakres zmiany barwy wskaźnika zależy bowiem od wartości jego stałej
dysocjacji.
Poniżej
przedstawiono
schematycznie
dysocjację
wskaźnika
o
charakterze słabego kwasu, o wzorze ogólnym HIn, tworzącego sprzężoną parę
kwas-zasada:
3
Stała dysocjacji tego wskaźnika opisana jest wzorem:
Stąd otrzymuje się wyrażenie:
Zakres zmiany barwy wskaźnika dwubarwnego wynosi: pH = pKa±1.
Dobór wskaźnika do danego typu miareczkowania polega na zastosowaniu takiego
wskaźnika,
którego
zmiana
barwy
zachodzi
w
zakresie
skoku
krzywej
miareczkowania. Ilustrują to przykłady zawarte w Tabeli 1.
Tabela 1. Typy miareczkowań alkacymetrycznych a dobór odpowiedniego wskaźnika.
PR = punkt równoważności miareczkowania
Oranż
metylowy
(pKa =3,4)
Czerwień
metylowa
(pKa =5,0)
Fenoloftaleina
(pKa =9,1)
7
+
+
+
7,7-9,7
8,7
-
-
+
6,3-4,3
5,3
+
+
-
Układ
Skok
miareczkowania
PR
mocny kwas-mocna
zasada
4,3-9,7
słaby kwas-mocna
zasada
słaba zasada-mocny
kwas
4
Wartość stałej dysocjacji może zostać wyznaczona wieloma metodami, jednak dla
związków barwnych najdogodniejszą wydaje się być metoda spektrofotometryczna.
2.3. Wskaźniki metalochromowe i chromogeniczne odczynniki kompleksujące
Jednymi z najwcześniej zastosowanych związków w analizie ilościowej, do
oznaczania kationów metali, zarówno metodami klasycznymi jak i instrumentalnymi,
były substancje określane jako wskaźniki metalochromowe (metalowskaźniki).
Często wykazują one cechy wskaźników alkacymetrycznych. Są to związki zdolne do
tworzenia barwnych kompleksów z oznaczanymi kationami metali. Barwa kompleksu
powinna różnić się od barwy wolnego wskaźnika w warunkach pomiaru (wskaźniki
jednobarwne: sam wskaźnik jest bezbarwny). Na przykład w trakcie miareczkowania
kompleksonometrycznego roztworu zawierającego jony metalu w obecności
metalowskaźnika, z zastosowaniem EDTA jako titranta zachodzi reakcja:
MeIn
+ EDTA
⇄
barwa I
Me·EDTA
+ In
barwa II lub zanik barwy
Tworzenie kompleksu w najprostszym przypadku, pomiędzy oznaczanym metalem a
odpowiednim ligandem opisuje poniższa zależność:
Me + L ⇄ MeL
Stałą równowagi takiej reakcji wyraża:
β’MeL to warunkowa stała trwałości kompleksu.
Wskaźniki tworzą z oznaczanym jonem metalu kompleksy o mniejszej wartości stałej
trwałości niż z EDTA, a uwolniony z kompleksu barwnik ma inną barwę niż jego
kompleks lub jest bezbarwny. Jednym z często stosowanych wskaźników
5
metalochromowych (np. do oznaczania twardości całkowitej wody) jest czerń
eriochromowa T o wzorze:
HO
OH
N
SO3H
N
NO2
-
Ma właściwości wskaźnika alkacymetrycznego
-
W zależności od pH dysocjuje tworząc barwne jony:
pH 6,3
H2In-
-
pH 11,5
HIn2-
In3-
Niebieska postać wskaźnika tworzy różowo-fioletowe kompleksy chelatowe z
wieloma metalami o różnych wartościach stałych trwałości,
-
Wskaźnik stosowany jest w postaci stałej.
Wskaźniki metalochromowe stosowane były powszechnie w XX w. Wynika to z faktu,
że są one zdolne do tworzenia kompleksów z wieloma kationami metali. Przy ich
pomocy nie można było jednak oznaczać metali I grupy układu okresowego, ze
względu na małe powinowactwo tych substancji do w/w jonów. Odkrycie przez
Pedersena eterów koronowych, zdolnych do selektywnego kompleksowania
kationów litowców, oraz prace Lehna i Crama, z zakresu chemii supramolekularnej,
dały w późniejszym czasie, początek nowej grupie odczynników barwnych
określanych jako chromojonofory. W związkach tego typu wyróżnia się część zdolną
do selektywnego rozpoznania analitu. Jest to część jonoforowa o określonej
geometrii i rozmiarze, zawierająca określone atomy donorowe (O, N, S). W wyniku
oddziaływania jonoforu z analitem obserwuje się zmianę barwy roztworu lub jej
intensywności, za co odpowiada fragment chromoforowy cząsteczki. W sposób
schematyczny budowę i działanie makrocyklicznych chromojonoforów przedstawiono
na Schemacie 1 [1].
M+
M+
chromofor
jonofor
jonofor
+ chromofor
Schemat 1. Budowa i działanie makrocyklicznych chromojonoforów [1].
6
Ugrupowaniem często wprowadzanym do cząsteczek chromojonoforów jest grupa
azowa. Może ona znajdować się poza obrębem makrocyklu bądź stanowić jego
część. W ostatnim przypadku donorowe atomy azotu mogą uczestniczyć w procesie
kompleksowania jonów. Przykłady chromojonoforów, zawierających w swojej
strukturze grupę azową przedstawiono na Rysunku 2 [1].
O
O
O
n
O
OH O
O
O
OH
N
O
OH
O
O
O
O
OH
O
O
R2
O
R1
NO2
N N
OH
O
OH
O
O
OH
O
4
NO2
R1 = H or NO2
R2 = (CH2)1-3, CH2(CH2OCH2)1-2CH2
R3 = H or SO3Na
X = O or S
O
O
N N
N N
OH
HO
n
O
O
N
R3
O
O
R1
N
OH
N
O2 N
3
O2 N
NO2
N N
NO2
N N
2
O
X
N
O2N
1
X
NO2
O
6
O2 N
O2 N
5
Rys. 2. Przykłady chromojonoforów zawierających grupę azową
Pojęcie chromojonoforu nie ogranicza
się jednak wyłącznie do związków
makrocyklicznych. Chromojonoforami mogą być także związki acykliczne (np.
związek 6, Rys. 2). Ponadto zastosowanie związków o ściśle określonej budowie
umożliwia wykrywanie nie tylko kationów metali, ale także anionów i substancji
obojętnych.
Ligandy
te
(cząsteczki
gospodarzy)
w
zależności
od
typu
kompleksowanego analitu mają jednak różną budowę zapewniającą określone
powinowactwo do kompleksowanego analitu (cząsteczki gościa).
Czynnikiem decydującym o możliwościach zastosowania określonego odczynnika
chromogenicznego jest m. in. wartość stałej trwałości kompleksu tworzącego się
pomiędzy konkretnym ligandem a oznaczanym indywiduum. Wartość stałej trwałości
zależy od takich czynników, jak temperatura czy rozpuszczalnik. Wyznaczenie
wartości stałej trwałości odczynników selektywnie kompleksujących określone
indywidua chemiczne jest jednym z pierwszych etapów określenia możliwości
zastosowania danego związku jako odczynnika analitycznego. Przyjmuje się, że
7
wartość stałej trwałości kompleksu powinna być większa od 2 (log K), aby dany układ
mógł być zastosowany jako odczynnik analityczny.
2.4. Literatura
[1].“Azo Macrocyclic Compounds” w Advances in Supramolecular Chemistry, Vol. 9,
pp. 71-162, Cerberus Press 2003.
Przy przygotowywaniu niniejszej instrukcji skorzystano również 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).
[2].
„Ćwiczenia
laboratoryjne
z chemii fizycznej” red.
Edward
Dutkiewicz,
Wydawnictwo UAM, Poznań 1997.
oraz z wyników prac badawczych aktualnie prowadzonych w Katedrze Technologii
Chemicznej.
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 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
3. Metodyka badawcza
Metodą badawczą w wykonywanym ćwiczeniu jest spektrofotometria w zakresie UVVis. Pomiary zostaną wykonane przy pomocy spektrofotometru dwuwiązkowego
UNICAM UV300 series. We wszystkich pomiarach zostaną zastosowane kuwety
kwarcowe o drodze optycznej 1 cm. Wszystkie roztwory robocze zostaną
przygotowane z odpowiednich roztworów podstawowych w kolbach miarowych o
podanej objętości. Wykorzystywany aparat matematyczny został opisany w części
opracowanie wyników.
8
4. Wykonanie doświadczeń
4.1.
Wyznaczanie stałej dysocjacji wskaźnika pH
(podstawę opracowania ćwiczenia stanowi pozycja [2] w wykazie literatury).
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej dysocjacji wskaźnika pH – zieleni
bromokrezolowej. Stała zostanie wyznaczona metodą spektrofotometryczną. W celu
wyznaczenia stałej należy przygotować serię roztworów o określonym pH, w tym
także takie, w których badany związek występuje całkowicie w postaci zdysocjowanej
oraz niezdysocjowanej. Następnie należy zmierzyć absorbancję odpowiednich
roztworów i na podstawie uzyskanych wyników wyznaczyć wartość pKa badanego
wskaźnika.
Odczynniki:
Roztwór kwasu solnego: 0,1 mol·dm-3
Roztwór wodorotlenku sodu: 0,1 mol·dm-3
Roztwór kwasu octowego: 0,1 mol·dm-3
Zieleń bromokrezolowa cz.d.a.
Szkło:
Kolba miarowa: 250 ml
Kolby miarowe: 50 ml (11 sztuk)
Pipety wielomiarowe
Uwaga: Przy przygotowywaniu roztworów należy używać osobnych pipet do
poszczególnych odczynników. Przy pracy z roztworami kwasów i zasad należy
zachować szczególna ostrożność. Obowiązkowe okulary ochronne.
1. Przygotować roztwór podstawowy zieleni bromokrezolowej w wodzie o
stężeniu 1×10-4 mol·dm-3 w kolbie miarowej o pojemności 250 ml.
2. Przygotować roztwór wskaźnika zawierający jego zdysocjowaną formę w
kolbie o pojemności 50 ml poprzez pobranie z roztworu podstawowego 5 ml,
dodanie 5 ml roztworu kwasu solnego (0,1 mol·dm-3). Uzupełnić do kreski
wodą demineralizowaną.
3. Przygotować roztwór wskaźnika zawierający jego niezdysocjowaną formę w
kolbie o pojemności 50 ml poprzez pobranie z roztworu podstawowego 5 ml,
9
dodanie 5 ml roztworu wodorotlenku sodu (0,1 mol·dm-3). Uzupełnić do kreski
wodą demineralizowaną.
4. Przygotować serię roztworów wskaźnika
w środowiskach
o różnych
wartościach pH. Rolę buforu pełni układ kwas octowy-wodorotlenek sodu. Do
9 kolb miarowych o pojemności 50 ml pobrać 5 ml roztworu podstawowego
zieleni bromokrezolowej, 20 ml roztworu kwasu octowego (0,1 mol·dm-3 ). Do
kolejnych przygotowywanych roztworów dodać kolejno: 2, 4, 6, 8,…18 ml
roztworu wodorotlenku sodu (0,1 mol·dm-3). Uzupełnić do kreski wodą
demineralizowaną.
5. Zarejestrować widma formy zdysocjowanej i niezdysocjowanej barwnika.
Określić analityczną długość fali (długość fali, przy której różnica absorbancji
dla obu form jest największa).
6. Zarejestrować widma 9 roztworów zawierających roztwór wskaźnika w
różnych warunkach pH.
4.2.
Wyznaczanie stałej trwałości kompleksu chromogenicznego
eteru koronowego z jonami metali w acetonitrylu.
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stałej trwałości kompleksu 18-członowej
chromogenicznej pochodnej pirolu o wzorze:
O
O
O
N
H
N
N
N
N
Dla powyższego związku i jego analogów (Schemat 2) przeprowadzono m.in.
badania dotyczące kompleksowania jonów metali. Stałe trwałości kompleksów z
n
n
O
O
O
NO2
R
n
O
O
redukcja
O2N
R
NH2
R
O
O
H2N
R
N2 ]
R
n
H
O
R
O
O
N
H
N
N
N
N
R
+
R
R=H
R = t-Bu
R = CH2CH2OCH3
R=H
R=H
R = t-Bu
N2
R
X=CH
X=CH
X=CH
X=CH
X=N
X=N
O
N
N
N
n=1
n=1
n=1
n=2
n=1
n=1
25%
27%
27%
41%
42%
30%
1b. R = H
2b. R = t-Bu
R
N
N
X
1a.
1a.
2a.
2a.
3.
4.
+[
O
X
pH 11-12
+
n
O
N
O
O
NaNO2,HCl
H
X=CH n=1
X=CH n=1
23%
11%
10
jonami metali I i II grupy układu okresowego wyznaczono spektrofotometrycznie w
acetonitrylu.
Schemat 2. Synteza chromogenicznych, makrocyklicznych pochodnych pirolu
Przedmiotem ćwiczenia będzie wyznaczenie stałej trwałości kompleksu związku 1a z
jonami baru w acetonitrylu.
W tym celu należy przygotować:
Roztwór podstawowy liganda: c= 1,5⋅10-3 mol⋅dm-3 (10 ml)
Roztwór podstawowy nadchloranu baru: c= 1,5⋅10-2 mol⋅dm-3.
Poprzez rozcieńczenie roztworu podstawowego liganda należy przygotować (w
kolbkach 10 ml) 12 roztworów o stężeniu c= 1,5⋅10-5 mol⋅dm-3.
Należy zarejestrować widmo „ wolnego” liganda a następnie widmo, dla którego
można przyjąć, że ligand występuje w postaci całkowicie skompleksowanej.
Następnie należy zarejestrować serię widm, utrzymując stałe stężenie liganda
zmieniając stopniowo stężenie soli. Należy ustalić odpowiedni poziom początkowego
stężenia soli tj. takiego przy którym zmiany w widmie absorpcyjnym są już
obserwowane. Kolejne stężenia powinny zawierać się pomiędzy stężeniem
początkowym a tym przy którym obserwowane było widmo graniczne.
Uwaga: Podczas wykonywania ćwiczenia należy zwrócić szczególną uwagę na
czystość używanego szkła i bardzo dokładnie przygotowywać odpowiednie
roztwory.
Przy przygotowywaniu roztworów należy używać osobnych pipet do poszczególnych
odczynników. Roztwory należy przygotować w czystych SUCHYCH kolbach
miarowych.
5. Opracowanie wyników
5.1. Wyznaczanie stałej dysocjacji wskaźnika pH
Obliczyć pH każdego z 9 przygotowanych roztworów w oparciu o zależność:
11
Wartość 4,76 jest wartością pKa kwasu octowego. Powyższy wzór słuszny jest
wyłącznie dla VNaOH<20 ml (przy większej ilości nie mamy już do czynienia z
roztworem buforowym).
Wyniki zestawić w Tabeli:
VNaOH [ml]
pH
A
cHIn
cIn
-
2
4
6
8
10
12
14
16
18
A - jest zmierzoną wartością absorbancji odpowiedniego roztworu przy
wyznaczonej analitycznej długości fali
cHIn - określa stężenie formy niezdysocjowanej barwnika
cIn- - określa stężenie formy zdysocjowanej barwnika
Odpowiednie stężenia należy obliczyć korzystając z faktu, że całkowitą
absorbancję roztworu zawierającego obydwie formy określa wyrażenie:
gdzie:
AHIn – absorbancja roztworu zawierającego wyłącznie formę niezdysocjowaną
AIn- – absorbancja roztworu zawierającego wyłącznie formę zdysocjowaną
c0 – całkowite stężenie wskaźnika
12
Odpowiednie stężenia formy zdysocjowanej i niezdysocjowanej obliczyć z
poniższych zależności:
Na podstawie otrzymanych wyników przygotować wykres zależności stężeń formy
zdysocjowanej i niezdysocjowanej wskaźnika od pH roztworu. Z wykresu
odczytać wartość pH, przy której stężenia obu form wskaźnika są takie same, w
punkcie przecięcia krzywych. Punkt ten jest równy wartości pKa badanego
wskaźnika.
Porównać otrzymaną wartość pKa z danymi literaturowymi. Przeprowadzić
dyskusję otrzymanego wyniku.
5.2.
Wyznaczanie stałej trwałości kompleksu chromogenicznego eteru
koronowego z jonami metali w acetonitrylu.
Stała trwałości kompleksu badanego liganda z określonym kationem metalu
zostanie wyznaczona metodą Benesi-Hildebranda.
1. Na podstawie zarejestrowanego widma wolnego liganda określić jego λmax oraz
εmax.
2. Na podstawie widm zarejestrowanych w obecności nadchloranu metalu określić
co najmniej dwie długości fali, które zostaną wykorzystane do wyznaczenia stałej
trwałości kompleksu.
Stałą trwałości kompleksu należy wyznaczyć metodą Benesi-Hildebranda.
Założeniem metody jest to, że w układzie tworzy się wyłącznie jeden kompleks o
stechiometrii 1:1, pasmo tworzącego kompleksu nie pokrywa się z pasmem
wolnego liganda a stężenie metalu jest dużo większe niż stężenie wolnego
liganda. Przy tych założeniach do wyznaczenia stałej kompleksowania KLM
korzysta się z zależności:
13
Gdzie:
L0 –stężenie początkowe liganda
A – absorbancja kompleksu przy określonej długości fali
KLM – stała trwałości kompleksu
M0 – stężenie metalu
εLM – wartość molowego współczynnika absorpcji tworzącego się kompleksu.
Wykres zależności
od daje linię prostą przecinającą oś rzędnych w punkcie ,
nachylenie prostej określone jest wartością . Stąd wyznacza się wartość stałej
trwałości.
3. Przygotować tabelę zestawienia wyników i przygotowania odpowiedniego
wykresu:
VM0 [ml]
M0 [mol·dm-3]
1/ M0
A1
A2
L0/A1
L0/A1
Wg wskazówek
prowadzącego
ćwiczenie
Gdzie A1 i A2 są wartościami absorbancji przy dwóch długościach fali w pobliżu
maksimum absorpcyjnego kompleksu.
Z odpowiedniego wykresu wyznaczyć wartości stałej trwałości kompleksu przy
dwóch długościach fali. Porównać otrzymaną wartość z wartością literaturową,
przedyskutować uzyskany wynik.
14