Kolorymetria

OZNACZANIE ANIONÓW W PRÓBKACH WODY
Instrukcja do ćwiczeń opracowana w Katedrze Chemii Środowiska Uniwersytetu Łódzkiego
1. WSTĘP
1.1. AZOTANY
Związki azotu zawarte w wodach naturalnych mogą być pochodzenia organicznego (jak
produkty biochemicznego rozkładu białek roślinnych i zwierzęcych) lub pochodzenia
mineralnego, tj. mogą one pochodzić z gleby nawożonej nawozami sztucznymi, ze ścieków
przemysłowych a niekiedy także z atmosfery zawierającej tlenki azotu (po wyładowaniach
atmosferycznych). Związki azotu w wodach naturalnych mogą przechodzić z jednej postaci w
drugą dzięki reakcjom nitryfikacji i denitryfikacji W związku z tym przy ocenie stopnia
zanieczyszczenia wód naturalnych związki azotu rozpatruje się pod kątem ich jakościowego i
ilościowego występowania w tych wodach. Obecność w wodzie powierzchniowej amoniaku
wobec braku azotynów wskazuje na świeże zanieczyszczenia wody ściekami gospodarczymi
lub innymi związkami organicznymi, zawierającymi w swej cząsteczce azot. Równoczesne
występowanie amoniaku i azotanów (III) świadczy o tym, że od chwili zanieczyszczenia
wody upłynął już pewien czas. Brak amoniaku i azotanów (III) i obecności azotanów (V)
wskazuje, że zanieczyszczenie nastąpiło już dawno i w tym czasie zaszło samooczyszczenie
wody.
Woda do picia, według przepisów higienicznych, nie powinna zawierać amoniaku i
azotanów (III) pochodzących z rozkładu odpadków zwierzęcych lub innych produktów
mogących bezsprzecznie świadczyć o jej zanieczyszczeniu. Natomiast amoniak i azotany (III)
pochodzenia mineralnego nie są normowane dla wód użytkowych, gdyż związki te występują
w wodach podziemnych w niewielkich ilościach i same nie mają szkodliwego wpływu na
zdrowie. Dopuszczalne stężenie azotanów (V) w wodzie do picia i na potrzeby gospodarcze
nie powinno przekraczać 10 mg/dm3 N-NO3-, amoniaku zaś 0,5 mg/dm3 N-NH4+.
1.2. FLUORKI
Związki fluoru w przyrodzie występują dość powszechnie. Obecne są w wodzie
naturalnej, w glebie, w głębokich pokładach geologicznych, w żywych organizmach oraz w
roślinach. Największe stężenie związków fluoru występuje w wodzie, która styka się z
fosforytami lub apatytami. W okolicach bogatych w związki fluoru woda może zawierać
znaczne ilości tego pierwiastka. Stężenie fluoru może dochodzić nawet do 10 mg/dm3 F. W
1
wodach powierzchniowych i podziemnych obecność fluorków może być rezultatem
naturalnych procesów, jak również wynikać z zanieczyszczenia środowiska gazami, ściekami
i odpadami przemysłowymi. Fluor w wodach naturalnych może występować w postaci
różnych związków. Najczęściej występuje w postaci fluorku wapnia (rozpuszczalność CaF2 –
ok. 16 mg/dm3).
Fluor wywiera niewątpliwy wpływ na układ kostny człowieka, a szczególnie na
uzębienie. Szkodliwy wpływ fluoru objawia się tak zwaną fluorozą, gdy organizm przyjmuje
więcej niż 2,5 mg F na dobę. Objawy chorobowe widoczne są przede wszystkim w postaci
cętkowanego szkliwa na zębach. Za optymalną dawkę uważa się ok. 1 mg fluoru na dobę, co
zapobiega powstawaniu fluorozy i próchnicy.
Wody występujące na obszarach Polski i ujmowane do celów wodociągowych są na
ogół ubogie we fluorki i wykazują ich niedobór, wyrażający się stężeniem poniżej 0,5 mg/dm3
F. Jedynie w nielicznych przypadkach wody w Polsce, zwłaszcza w rejonach nadmorskich,
wykazują zawartość ponad 1,0 mg/dm3 F, a więc zwiększone ilości fluorków. W rejonach
ubogich we fluorki część wodociągów komunalnych stosuje fluorowanie wody, czyli jej
wzbogacanie we fluorki. Natomiast, gdy stężenie fluorków znacznie przekracza ilość
optymalną, należy stosować usuwanie jego nadmiaru z wody.
Ze względu na duże znaczenie biogeoendemiczne fluorków w wodzie, oznaczenie tego
składnika powinno być wykonywane zawsze przy wyborze źródła ujęcia wody do celów
wodociągowych. Ponadto stosowanie fluorowania wody wodociągowej zwróciło uwagę na
konieczność stałej kontroli fluoru ze względu na bezpieczeństwo mieszkańców.
1.3. FOSFORANY
Związki fosforu, podobnie jak związki azotu, występują w wodach naturalnych i mogą
być pochodzenia zarówno nieorganicznego (z wyługowania gleby nawożonej nawozami
fosforanowymi lub ze źródeł naturalnych) jak i organicznego (z rozkładu związków
organicznych, zawierających w swoim składzie fosfor). Związki organiczne zawierające
fosfor mogą pochodzić ze ścieków gospodarczych i niektórych ścieków przemysłowych, jak
np. ścieków z fabryk nawozów sztucznych, fabryk zapałek, fabryk syntetycznych środków
piorących i innych. Stąd w wodach naturalnych związki fosforu mogą występować w postaci
jonowej jako HPO42- lub PO43- (jest to tzw. fosfor mineralny), oraz w postaci związków
organicznych (fosfor organiczny).
Fosforany, nawet w niewielkiej ilości nie są pożądane, gdyż w wodach wodociągowych
sprzyjają rozwojowi mikroorganizmów. Pomimo, że fosforany nie są szkodliwe dla zdrowia,
2
w ocenie wody do picia obecność tych związków wzbudza podejrzenie pod względem
higieniczno-sanitarnym, tym bardziej, jeżeli związki fosforu występują równolegle ze
związkami azotowymi. Wówczas fosforany i azotany mogą pochodzić z rozkładu związków
organicznych i są wskaźnikiem zanieczyszczenia wody.
1.4. ANIONOWE SUBSTANCJE POWIERZCHNIOWO-CZYNNE (Detergenty anionowe)
Detergenty syntetyczne różnią się pomiędzy sobą budową, jednak wszystkie one,
a także zwykłe mydła mają jedną wspólną cechę: ich cząsteczki mają długi, niepolarny,
węglowodorowy fragment rozpuszczalny w tłuszczu oraz polarny fragment rozpuszczalny
w wodzie. Przykładem może być siarczan dodecylo-sodowy:
n-C11H23CH2OSO3-Na+.
Fragmentem niepolarnym jest tutaj długi łańcuch węglowodorowy, a fragmentem polarnym grupa -OSO3-Na+.
Powszechnie używanymi detergentami są sole kwasów alkilobenzenosulfonowych
(ABS):
SO3- Na+
R
Detergenty te działają zasadniczo w taki sam sposób jak mydło. Używa się ich, ponieważ
mają pewną przewagę nad mydłem; np. siarczany i sulfoniany zachowują efektywność
działania w twardej wodzie, ponieważ ich sole wapniowe i magnezowe są w niej
rozpuszczalne. Ponieważ są one solami mocnych kwasów i mocnych zasad, tworzą obojętne
roztwory w przeciwieństwie do mydeł, które jako sole słabych kwasów i mocnych zasad, dają
roztwory słabo zasadowe. Detergenty tego typu ulegają jednak tylko w 50-60% biodegradacji,
rozkładają się powoli, pienią się silnie w obecności białek, powodując tym samym skażenie
ścieków i rzek.
Podobne do nich są ,,miękkie” detergenty, stanowiące liniowe alkilobenzenosulfoniany (LAS), zawierające rozgałęziony łańcuch alifatyczny. Ulegają one biodegradacji w
90%
(następuje
biodegradacja
prostego
łańcucha
alkilowego,
a
nie
pierścienia
aromatycznego) co powoduje jedynie niewielkie skażenie. Stosowanie pewnych rodzajów
detergentów może jednak stwarzać różne problemy. Bakterie powodujące biodegradację
mogą zużyć całą ilość rozpuszczonego w wodzie tlenu, uniemożliwiając np. życie ryb, roślin;
3
w warunkach krańcowo beztlenowych może nastąpić redukcja jonów SO4- do H2S, co
powoduje nieprzyjemny zapach.
2. METODA OZNACZENIA
2.1. AZOTANY (V)
W środowisku stężonego kwasu jony azotanowe nitrują pierścień 2,6-dimetylofenolu tworząc
4-nitro-2,6-dimetylofenol. Związek ten może być oznaczany fotometrycznie przy analitycznej
długości fali wynoszącej 380 nm. Metoda jest zalecana do badań wody pitnej, gruntowej,
powierzchniowej. Bez rozcieńczania lub zatężania próbki wody, za pomocą tej metody można
oznaczać azotany w stężeniach od 0,3 do 22 mg/dm3 N-NO3. W oznaczaniu azotanów (V)
przeszkadzają chlorki i węglany w stężeniu powyżej 1000 mg/dm3 oraz jony azotanowe (III)
w stężeniu wyższym niż 1 mg/dm3 (ta sama reakcja). Jony azotanowe (III) trzeba usunąć
dodając kwas amidosulfonowy (czas reakcji 10 min).
2.2. FLUORKI
Metoda oznaczania opiera się o reakcję, w której jony fluorkowe odbarwiają kompleks
alizarynowo-lantanowy. W badanej próbce wykonywany jest fotometryczny pomiar zaniku
barwy. Stosując tą metodę można oznaczać fluorki w stężeniach od 0,1 do 2,0 mg/dm3 F. W
oznaczeniu przeszkadzają jony glinu i wapnia, natomiast nie przeszkadzają jony azotanowe
(V) i (III) oraz siarczanowe (VI).
2.3. o-FOSFORANY
Jony fosforanowe tworzą z molibdenianem amonowym kompleks fosforomolibdenowy,
który jest redukowany do błękitu molibdenowego. Reakcja chemiczna przebiega zgodnie z
równanie przedstawionym poniżej.
PO43- + 12MoO42- + 24H+  [P(Mo3O10)4]3- + 12H2O
Metoda ta pozawala na oznaczenie o-fosforanów w zakresie 0,1 – 20.0 mg/dm3 PO43-. W
oznaczeniu nie przeszkadzają Fe, Pb, Zn, SiO2 w stężeniu poniżej 10 mg/dm3 oraz jony
wapnia, cytryniany i winiany w stężeniu poniżej 200 mg/dm3.
2.4. DETERGENTY
Zasada oznaczania detergentów anionowych polega na tworzeniu niebieskiego
kompleksu w wyniku reakcji błękitu metylowego z detergentami anionowymi. Przed
4
pomiarem absorbancji powstały kompleks jest ekstrahowany z próbki za pomocą
chloroformu. W oznaczeniu przeszkadzają jony siarczkowe, które muszą być usunięte z
próbki przez dodanie nadtlenku wodoru. Jeżeli w próbce znajdują się detergenty kationowe to
wynik oznaczenia jest pomniejszony o równoważnik detergentów kationowych.
3. APARATURA, SZKŁO I ODCZYNNIKI
- fotometr EPOLL - 20 ECO
- kuwety szklane o grubości 10 - 50 mm
- pipety automatyczne
- tryskawka
- NANOCOLOR AZOTANY 50 (nr kat. 925 64)
- NANOCOLOR O-FOSFORANY (nr kat. 918 77)
- NANOCOLOR FLUORKI 2 (nr kat. 925 40)
- NANOCOLOR DETERGENTY ANIONOWE (nr kat. 919 32)
- Kolby miarowe o pojemności 25 ml
Wymagane środki ostrożności
 W trakcie wykonywania ćwiczenia student powinien nosić odzież ochronną.
 Roztworów nie należy wdychać i pipetować ustami.
 Identyfikacja zagrożeń (Klasyfikacja zgodnie z dyrektywami UE 67/548/EWG lub
1999/45/WE):
Testy NANOKOLOR - F Produkt wysoce łatwopalny R11; Xn Produkt szkodliwy
R20/21/22, R68/20/21/22; T Produkt toksyczny R23/24/25, R39/23/24/25; C Produkt
żrący R35
 Pierwsza pomoc:
- w razie kontaktu ze skórą: spłukać dużą ilością wody z mydłem.
- w razie kontaktu z oczami: przepłukać dużą ilością wody, przy szeroko otwartej
powiece.
- w przypadku wystąpienia podrażnień skontaktować się z lekarzem.
- w przypadku połknięcia NIE prowokować wymiotów. Nieprzytomnej osobie nigdy nie
podawać nic doustnie. Wypłukać usta wodą. Zasięgnąć porady medycznej.
Dokładne instrukcje postępowania są zawarte w dołączonych kartach charakterystyk
substancji.
5
4. WYKONANIE OZNACZEŃ
4.1. AZOTANY (V)
Przygotowanie próby badanej
Otworzyć znajdujące się w zestawie i zawierające odczynniki probówki, dalej dodać 0,5 ml
badanej próby wodnej oraz 0,5 ml odczynnika R2. Następnie zakręcić probówki i zamieszać
przez wielokrotne kołysanie. Probówki pozostawić na 10 min w temperaturze pokojowej.
UWAGA! Przed pomiarem wytrzeć zewnętrzną powierzchnię probówki.
Pomiar absorbancji
Oznaczyć zawartość azotanów (V) wg metody nr 64.
1. Wywołać program nr 6 długość fali (380 nm).
2. Wcisnąć przycisk START.
3. Wstawić do gniazda pomiarowego żądane zero – próbka dołączona do zestawu (NULL).
4. Wstawić do gniazda pomiarowego próbę badaną.
5. Odczytać wskazania przyrządu.
4.2. FLUORKI
Przygotowanie próby badanej
Otworzyć znajdujące się w zestawie i zawierające odczynniki probówki, następnie dodać 2 ml
badanej próby wodnej, zakręcić probówki, wymieszać i odstawić na 15 min. UWAGA! Przed
pomiarem wytrzeć zewnętrzną powierzchnię probówki.
Pomiar absorbancji
Oznaczyć zawartość fluorków wg metody nr 40.
1. Wywołać program nr 32 długość fali (620 nm lub 652 nm).
2. Wcisnąć przycisk START.
3. Wstawić do gniazda pomiarowego żądane zero – próbka dołączona do zestawu.
4. Wstawić do gniazda pomiarowego próbę badaną.
5. Odczytać wskazania przyrządu.
4.3. o-FOSFORANY
Przygotowanie próby badanej
6
Do kolbek miarowych o pojemności 25 ml wprowadzić 20 ml próby badanej. Następnie
dodać do kolby 1 ml odczynnika R1, zamieszać i dodać 1 ml odczynnika R2, wymieszać.
Roztwór uzupełnić wodą destylowaną do kreski, wymieszać i odstawić na 10 minut.
Przygotowanie ślepej próby - zero
Do kolbki miarowej o pojemności 25 ml wprowadzić 20 ml wody destylowanej, dodać 1 ml
odczynnika R1, zamieszać i dodać 1 ml odczynnika R2, wymieszać. Próbę uzupełnić do
objętości 25 ml, wymieszać i odstawić na 10 minut.
Pomiar absorbancji
Oznaczyć zawartość fosforanów wg metody nr 77.
1. Wywołać program nr 51 długość fali (690 nm lub 720 nm).
2. Wcisnąć przycisk START.
3. Wstawić do gniazda pomiarowego żądane zero - próbę ślepą.
4. Wstawić do gniazda pomiarowego próbę badaną.
5. Odczytać wskazania przyrządu.
4.4 DETERGENTY ANIONOWE
I. Pierwszy etap ekstrakcji
Próba ślepa:
Do rozdzielacza wlać 25 ml wody destylowanej, dodać 1 ml odczynnika R1, zamieszać,
następnie 0,5 ml odczynnika R2 i ponownie zamieszać. Następnie dodać 10 ml
rozpuszczalnika organicznego. Wytrząsać 1 minutę, poczekać na rozwarstwienie, po czym
zlać dolną warstwę i zachować do następnej ekstrakcji.
Próba badana:
Do rozdzielacza wlać 25 ml próby badanej, dodać 1 ml odczynnika R1, zamieszać, następnie
0,5 ml odczynnika R2 i ponownie zamieszać. Następnie dodać 10 ml rozpuszczalnika
organicznego. Wytrząsać 1 minutę, poczekać na rozwarstwienie, po czym zlać dolną warstwę
i zachować do następnej ekstrakcji.
UWAGA!!! Wytrząsanie powinno być równomierne. Zbyt silne wytrząsanie prowadzi
do powstania emulsji i w efekcie do błędów.
II. Drugi etap ekstrakcji
Próba ślepa:
7
Do rozdzielacza dodać 25 ml wody destylowanej i 0,5 ml odczynnika R3, zamieszać.
Następnie wlać warstwę dolną z I ekstrakcji. Wytrząsać 1 minutę i poczekać na
rozwarstwienie.
Próba badana:
Do rozdzielacza wlać 25 ml wody badanej i dodać 0,5 ml odczynnika R3, zamieszać.
Następnie wlać warstwę dolną z I ekstrakcji. Wytrząsać 1 minutę i poczekać na
rozwarstwienie.
Po rozwarstwieniu odrzucić pierwsze krople dolnej warstwy. Następnie przefiltrować przez
lejek z watą szklaną dolną warstwę roztworu do kuwety pomiarowej.
.
Pomiar absorbancji
Oznaczyć zawartość detergentów anionowych wg metody nr 32.
1. Włączyć EPOLL - 20 ECO i wywołać program 26.
2. Wcisnąć przycisk START.
3. Wstawić do gniazda pomiarowego żądane zero - ślepą próbę.
4. Wstawić do gniazda pomiarowego próbkę badaną.
5. Odczytać wskazania przyrządu.
6. OPRACOWANIE WYNIKÓW
1. Wstęp teoretyczny.
2. Podać zawartości analitów w poszczególnych próbkach.
3. Przeprowadzić dyskusję wyników.
4. Porównać zawartości oznaczonych związków z dopuszczalnymi normami.
Literatura:
Szczepaniak W. ,,Metody instrumentalne w analizie chemicznej”, Wyd. I , Warszawa,
PWN 1996 (rozdz. 7.1.)
Szmal Z. S., Lipiec T. ,,Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej”, Wyd. VI,
Warszawa, PZWL 1988 (rozdz. 7.1.1., 7.1.2., 7.1.2.1., 7.1.2.2., 7.1.2.3.)
8