PROBLEMATYKA:
Przygotowanie próbek do analizy ilościowej. Optymalizacja warunków
doświadczalnych.
TEMAT ĆWICZENIA:
SPEKTROFOTOMETRYCZNE OZNACZANIE śELAZA Z ZASTOSO-
WANIEM TECHNIKI WSTRZYKOWO-PRZEPŁYWOWEJ
METODA:
Spektrofotometria UV/VIS
WPROWADZENIE
Gdy w 1975 roku Ružicka i Hansen przedstawili koncepcję wstrzykowego pomiaru
przepływowego, nic nie wskazywało na to, Ŝe propozycja ta wyjdzie poza jednostkowe próby
laboratoryjne. Rozwinięta w owym czasie juŜ bardzo szeroko technika analiz ciągłych z
segmentowaniem strumienia próbki wydawała się optymalnym rozwiązaniem w obrębie
przepływowych technik analitycznych. Trudno było wtedy dostrzec i przewidzieć, Ŝe tak prosty
pomysł jak rezygnacja z segmentowania strumienia na rzecz bezpośredniego wprowadzania
niewielkiej porcji próbki do roztworu nośnego i doprowadzania jej do układu detekcyjnego z
pełną akceptacją stopniowo zachodzącej dyspersji, moŜe przynieść dodatkowe metodyczne i
praktyczne korzyści.
Z biegiem lat wstrzykowa technika przepływowa zdobyła rangę sprawnej i uniwersalnej
metody instrumentalnej, dostosowanej do realizacji procedury analitycznej w pełnym zakresie,
z moŜliwością optymalizacji i kontroli warunków poszczególnych jej etapów. Stała się równieŜ
niezwykle uŜytecznym narzędziem badawczym, umoŜliwiającym rozwiązywanie wielu
trudnych problemów analitycznych. W tej sytuacji ogólnie obecnie uŜywane określenie
wstrzykowa analiza przepływowa ( ang. flow injection analysis) oddaje faktyczne znaczenie,
jakie koncepcja Ružicki i Hansena posiada w dniu dzisiejszym. Znaczenie to jest poparte liczbą
kilku tysięcy artykułów i kilkunastu opracowań monograficznych wydanych z tej dziedziny w
chwili obecnej.
PRZEPŁYWOWA I WSTRZYKOWA TECHNIKA PRZEPŁYWOWA (ogólnie: techniki
przepływowe)
Wstrzykową technikę przepływową (WTP) naleŜy traktować jako sposób realizacji
szeregu operacji laboratoryjnych, mających na celu przygotowanie próbki do pomiaru sygnału
analitycznego i dostarczenie próbki do instrumentu pomiarowego. W odróŜnieniu od
postępowania tradycyjnego, polegającego na wykonywaniu kaŜdej operacji „ręcznie” przy
uŜyciu specjalnych naczyń i przyrządów, techniki wstrzykowo-przepływowe (takŜe
przepływowe) umoŜliwiają pełne przygotowanie próbki, przeniesienie jej do przyrządu
pomiarowego i detekcję sygnału w trakcie nieprzerwanego przepływu próbki przez zamknięty
układ przewodów i naczyń.
Cechą charakterystyczną WTP, odróŜniającą ją od innych technik przepływowych, jest
wprowadzanie (wstrzykiwanie) niewielkiej porcji próbki o ściśle określonej objętości do
strumienia roztworu nośnego kierowanego do układu detekcyjnego. W strumieniu nośnym
próbka płynie więc w formie pojedynczego segmentu i w tej postaci poddawana jest
wymaganym procesom fizycznym i chemicznym. W czasie przepływu segment próbki ulega
swobodnemu rozproszeniu (dyspersji), stając się strefą o zróŜnicowanym stęŜeniu analitu:
1
maksymalnym w części centralnej i stopniowo zmniejszającym się po obu stronach części
centralnej aŜ do osiągnięcia stęŜenia zerowego. W wyniku dyspersji próbki sygnał analityczny
jest rejestrowany w postaci charakterystycznego, niesymetrycznego piku. Miarą wartości
sygnału jest zwykle wysokość piku lub pole jego powierzchni.
W odróŜnieniu od techniki wstrzykowo-przepływowej w technice stałego przepływu
zawór pełni rolę kierunkowego zaworu przepływowego, za pomocą którego do detektora
wprowadza się na przemian próbkę i nośnik. Roztwór badany wprowadzany jest do detektora
ze stałą prędkością przez pewien czas (zwykle kilka sekund) wystarczający do zarejestrowania
maksymalnego sygnału analitycznego w formie plateau.
Podstawowy zestaw instrumentalny dostosowany do analiz technikami przepływowymi
składa się z następujących podzespołów:
• pompy (najczęściej perystaltycznej) wymuszającej przepływ strumienia nośnego i innych
roztworów z regulowanymi prędkościami (rzędu kilku mL/min),
• zaworu wstrzykowego, umoŜliwiającego wstrzykiwanie próbki o kontrolowanej, ściśle
ustalonej objętości (od kilkudziesięciu do kilkuset µL) (lub skonfigurowanego w formie
kierunkowego),
• sieci przewodów (najczęściej teflonowych, o średnicy od 0,3 do1,0 mm),
• łączników przewodów (o budowie prostej lub modułowej),
• spirali lub komór mieszania,
• spirali lub kolumn reakcyjnych.
Proste
zestawy
przepływowe
i
wstrzykowo-przepływowe
dają
moŜliwość
przeprowadzania podstawowych operacji niezbędnych dla ustalenia odpowiednich
fizykochemicznych właściwości próbki, a więc np. rozcieńczania próbki, mieszania jej z
innymi roztworami czy teŜ łączenia próbki z odczynnikami (np. buforującymi,
kompleksującymi itp.) w celu wywołania odpowiednich reakcji chemicznych. W bardziej
rozbudowanych zestawach instaluje się w razie potrzeby specjalnie skonstruowane moduły,
słuŜące do realizacji trudniejszych zadań, takich jak:
• mineralizacja próbki za pomocą promieniowania mikrofalowego,
• termostatowanie próbki,
• rozdzielanie składników próbki na zasadach ekstrakcji (w układzie ciecz-ciecz, lub ciało
stałe-ciecz), wymiany jonowej, strącania osadu, dyfuzji gazowej lub dializy.
Po połączeniu odpowiednio skonstruowanego zestawu przepływowego z wybranym
aparatem pomiarowym otrzymuje się instrument dostosowany do realizacji procedury
analitycznej w pełnym zakresie. O uŜyteczności i wiarygodności takiego analizatora świadczą
następujące jego cechy:
• Pełne przygotowanie próbki do pomiaru nie trwa zwykle dłuŜej, niŜ kilkadziesiąt sekund
(rzadziej kilka minut), co zapewnia duŜą szybkość analiz.
• Dzięki temu, Ŝe próbka jest wprowadzana do układu w niewielkiej objętości, a uŜywane
przewody i moduły przepływowe mają niewielkie rozmiary, zuŜycie próbki i innych
roztworów jest zminimalizowane.
• Próbka i inne roztwory przepływają w układzie przewodów zamkniętych, co zwiększa
bezpieczeństwo pracy w przypadku operowania odczynnikami o wysokiej toksyczności i
reaktywności. Zmniejszone jest równieŜ w ten sposób ryzyko zanieczyszczenia
roztworów, a w szczególności wprowadzenia do układu niekontrolowanej ilości analitu,
co bezpośrednio wpływa na poprawę dokładności oznaczeń.
• Zastosowanie modułów rozdzielających składniki próbki pozwala na oddzielenie analitu
od składników wywołujących efekt interferencyjny, dzięki czemu osiąga się warunki
zapewniające duŜą selektywność i dokładność oznaczeń.
2
• Dzięki moŜliwości dokładnej regulacji i kontroli parametrów zestawu (m.in. objętości
wstrzykiwanej próbki, prędkości przepływu roztworów, długości przewodów
przepływowych) wszystkie zjawiska, jakie zachodzą z udziałem próbki podczas jej
przepływu są ściśle kontrolowane, powtarzalne i odtwarzalne. Zapewnia to duŜą precyzję
wykonywanych oznaczeń.
• Po oddzieleniu analitu od innych składników za pomocą modułów słuŜących do tego
celu, analit moŜna przenieść do roztworu o mniejszej objętości od tej, w której znajdował
się pierwotnie. W ten sposób osiąga się odpowiednie warunki dla zwiększenia czułości
oznaczenia i zmniejszenia granicy oznaczalności analitu.
• Zestawy przepływowe charakteryzują się duŜą uniwersalnością w tym sensie, Ŝe mogą
współpracować z dowolnym przyrządem pomiarowym dostosowanym do detekcji
sygnału analitycznego w warunkach przepływowych. Odpowiednio skonstruowany
analizator łączy w sobie zalety np. wstrzykowej techniki przepływowej i wybranej
metody analitycznej. Instrument taki moŜna w prosty i szybki sposób modyfikować,
stwarzając warunki do realizacji dowolnie wybranej procedury analitycznej.
• Analizator WTP moŜna w pełni zautomatyzować i skomputeryzować. W takiej postaci
moŜe być szczególnie przydatny do realizacji analiz rutynowych i seryjnych, a takŜe do
ciągłej kontroli poziomu stęŜeń analitów w badanych materiałach lub do zmian tych
poziomów w miarę upływy czasu.
Ze względu na prostą budowę i niski koszt aparatury, a przede wszystkim na uŜyteczność
i wiarygodność analityczną techniki przepływowe są coraz szerzej wykorzystywana zarówno w
badaniach podstawowych, jak i do celów czysto aplikacyjnych na skalę laboratoryjną i
przemysłową. Wiele procedur analitycznych, realizowanych dotąd technikami tradycyjnymi,
adaptuje się do warunków WTP i opracowuje w formie ogólnie zalecanych lub nawet
obowiązujących norm.
Techniki przepływowe są równieŜ stosowane na wszystkich polach analitycznych badań
środowiskowych. Szczególnie duŜą przydatność wykazują w bezpośredniej analizie wód i
ścieków, gdzie słuŜą m.in. do rutynowego oznaczania anionów (np. fosforanów, fluorków,
cyjanków), amoniaku, ozonu, detergentów oraz metali cięŜkich. Znajdują ponadto coraz
szersze zastosowanie do monitorowania zanieczyszczeń środowiska zarówno na stanowiskach
pracy, jak i w warunkach przemysłowych (w kontroli procesów produkcyjnych) i naturalnych
(np. w monitorowaniu naturalnych cieków wodnych).
ZAWÓR WSTRZYKOWO-PRZEPŁYWOWY – BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA
Zasadniczym elementem układów wstrzykowo-przepływowych jest zawór wstrzykowy.
Pełni on dwie główne role: zmienia drogi przepływu roztworów płynących z zaworu do układu
detekcyjnego, a takŜe umoŜliwia wstrzyknięcie ściśle określonej, Ŝądanej objętości roztworu
badanego do strumienia nośnika. RóŜne zawory wstrzykowe budową i zasadą działania są
podobne do siebie, a róŜnice wynikają ze szczegółowych rozwiązań proponowanych przez
producenta.
Na rysunku 1-2 przedstawiony jest przykład jednego z takich rozwiązań: tzw.
dwupozycyjny ośmiokanałowy zawór wstrzykowy. Składa się on z dwóch ściśle dopasowanych
do siebie, metalowych części w kształcie walca, w których znajduje się osiem otworów
stanowiących wejścia do kanałów wydrąŜonych wewnątrz. Dolną, nieruchomą część zaworu
nazywa się statorem, a górną ze względu na pełnioną funkcję – rotorem. Rotor moŜna
uruchamiać manualnie lub automatycznie; a w tym drugim przypadku czas pozostawania
zaworu w kaŜdej z dwóch pozycji regulowany jest zazwyczaj odpowiednim programem
komputerowym. Górna część urządzenia moŜe zmieniać pozycję względem części dolnej o 450.
Wstrzykiwanie roztworów za pomocą zaworu zachodzi w sposób opisany na rys. 2. Do
statora podłącza się przewody doprowadzające roztwory próbki, wzorca i nośnika, przewody
3
Zakład Chemii Analitycznej
Pętla
wstrzykowa
450
oś obrotu
rotor
kanalik
transportujący
ciecz
stator
K1
K2
K
Rys. 1. Schemat dwupozycyjnego ośmiokanałowego zaworu wstrzykowego; a - widok z góry; b –
przekrój pionowy; Stator – dolna, nieruchoma część zaworu, Rotor – górna, ruchoma część
zaworu, K – kanały umoŜliwiające podłączenie pętli wstrzykowych oraz węŜyków
doprowadzających lub odprowadzających roztwory, K1 − kanał wlotowy, K2 − kanał wylotowy
kierunek obrotu
zaworu
a)
b)
O
O
Det
Det
P
P
N
N
S
S
Rys. 2. Działanie obrotowego zaworu wstrzykowego w dwóch pozycjach (widok z góry): a) – w
pozycji napełnianie, b) – w pozycji wstrzykiwanie, N – nośnik, S – roztwór próbki, P – pętla
dla próbki, Det – układ detekcyjny, O – odpływ
odprowadzające roztwory na zewnątrz zestawu (na odpływ) oraz przewody doprowadzające
roztwory do detektora. Na rotorze umieszcza się odcinek przewodu P (tzw. pę tlę dla próbki) o
ściśle określonej, znanej pojemności przeznaczony dla roztworu badanego oraz dwie
dodatkowe pętle. Znajomość objętości pętli dodatkowych nie jest konieczna. Przy takim
układzie przewodów i pętli w pozycji a) roztwór wzorca lub próbki napełnia pętle P, a nadmiar
kierowany jest na zewnątrz układu. W tym czasie do układu detekcyjnego kierowany jest
nośnik oraz odczytywany jest zerowy sygnał analityczny. Po obrocie zaworu w pozycję
4
wstrzykiwania (pozycja b) roztwór nośnika zostaje skierowany do pętli P i wymusza przepływ
wzorca lub próbki do układu pomiarowego. W tym samym czasie strumień S kierowany jest
przez pętlę dodatkową do odpływu. W ten sposób badany roztwór zostaje wstrzyknięty do
nośnika w postaci segmentu o objętości ściśle odpowiadającej pojemności pętli P.
śELAZO I JEGO ZNACZENIE ŚRODOWISKOWE
śelazo jest jednym z głównych pierwiastków skorupy ziemskiej, o średniej częstości 5%.
Tworzy wiele minerałów własnych: czerwony hematyt (Fe2O3), czarny magnetyt (Fe3O4),
syderyt (FeCO3), limonit, getyt, piryt (FeS) arsenopiryt. i łatwo podstawia Mg i Al w
minerałach glinokrzemianowych. Jego obieg wiąŜe się z obiegiem tlenu, siarki i węgla. Na
zachowanie Ŝelaza w przyrodzie wpływa szereg czynników: odczyn, potencjał redoks,
substancja organiczna, rodzaj minerałów, zwłaszcza ilastych, oraz obecność kationów i
anionówa takŜe mikroorganizmy.
śelazo od wieków jest stosowane w formie stopów z węglem zwanym Ŝeliwem i stalą.
Metalurgia Ŝelaza stanowi jedną z głównych gałęzi przemysłu. Proces korozji powoduje istotny
ubytek Ŝelaza z form przetworzonych i włączenie go do środowiska przyrodniczego głównie
bezpośrednio z emisji zakładów metalurgicznych oraz ze spalania węgli. Udział tego metalu w
ogólnym zanieczyszczeniu środowiska nie jest określany, poniewaŜ nie stanowi zagroŜenia dla
organizmów Ŝywych.
śelazo do wód dostaje się m. in. w sposób naturalny migrując do wód przepływających
przez złoŜa mineralne i glebę. Jony Ŝelaza nie mogą występować w wodzie pitnej w większej
ilości, poniewaŜ nadaje jej nieprzyjemny smak, stąd ograniczenie ich stęŜenia w wodzie do
picia do 0,5 mg/L. W wodzie wykorzystywanej dla innych celów obecność jonów Ŝelaza jest
równieŜ ściśle ograniczona. I tak np. w wodzie dla piekarń stęŜenie Ŝelaza nie moŜe
przekraczać 0,2 mg/L, w wodzie dla browarów 0,3 mg/L. Szczegó1nie ostre wymagania stawia
się wodzie dla celów pralniczych, Ŝelazo powoduje bowiem Ŝółknięcie bielizny. Wykluczona
jest obecność Ŝelaza w wodzie dla kąpieli fotograficznych.
Znaczenie biologiczne Ŝ elaza jest nieocenione. Pierwiastek ten naleŜy do waŜnych dla
zachowania pełni zdrowia składników pokarmowych. Zapotrzebowanie na Ŝelazo jest zmienne
i zaleŜy od wieku, płci i stanu organizmu. Norma dobowego spoŜycia waha się w dość duŜych
granicach. U osób dorosłych: od 10 mg/dobę u męŜczyzn, do 20 mg u kobiet, z zastrzeŜeniem
Ŝe w okresie ciąŜy i karmienia powinno to być ok. 30 mg/dobę. ChociaŜ organizm ma dość
dobrze rozwinięte mechanizmy regulacyjne, w niektórych sytuacjach moŜe dojść do schorzenia
nazywanego hemochromatozą, związanego z nadmiarem Ŝelaza w organizmie. Wchłonięcie
około 20 mg/kg masy ciała wywołuje pierwsze objawy zatrucia. Natomiast 180 mg/kg masy
ciała przeciętnego człowieka prowadzi do zgonu. Do głównych przyczyn zatrucia Ŝelazem
naleŜą: palenie produktów tytoniowych i naraŜenie na dym papierosowy, ekspozycja na
produkty azbestowe, przedawkowanie Ŝelaza w postaci pastylek, a takŜe zbyt duŜe dawki
zastrzyku Ŝelaza, w przypadku jego niedoboru, nadmierne spoŜywanie produktów bogatych w
Ŝelazo i jego suplementy, częste transfuzje krwi. Toksyczność Ŝelaza wywoływana jest przez
jego absorpcję. Pierwiastek ten wchłaniany jest w postaci jonów Fe(III) przez komórki
jelitowego śluzu. Wydzieliny, wytwarzane przez komórki Ŝołądka i jelit redukują, Ŝelazo(III)
do Ŝelaza(II). śelazo(II) reaguje z nadtlenkiem wodoru a w wyniku tej reakcji powstają
toksyczne wolne rodniki: Fe(II) + H2O2 = Fe(III) + OH- + OH·. W normalnych, warunkach
rodniki te, usuwane są przez antyutleniacze znajdujące się w organizmie, jeśli jednak ilość
Ŝelaza będzie cały czas gwałtownie rosła to będą one kumulować się, gdyŜ nie będą usuwane
wystarczająco szybko. Na wchłanianie Ŝelaza do organizmu ma wpływ kilka czynników, takich
jak: poziom miedzi, fosforu, witaminy E. śelazo magazynowane jest w organizmie w postaci
ferrytyny. Białko to gromadzi się głównie w sercu i w wątrobie, płucach, gdzie niszczy tkanki
tych organów, poprzez nadmierne rozbudowywanie się prowadząc w skrajnych przypadkach do
5
rozwoju raka.
Niedobór Ŝelaza występuje często u ludzi oraz zwierząt i na ogół powodowany jest niską
zawartością przyswajalnych form tego metalu w poŜywieniu lub zaburzeniami w procesie jego
wchłaniania. Niedobór Ŝelaza wywołuje przede wszystkim niedokrwistość, a następnie
uszkodzenie błon śluzowych związane z upośledzeniem wchłaniania składników
pokarmowych. Ogólnym efektem braku tego metalu jest ograniczenie wzrostu i wycieńczenie
organizmu, co u dzieci moŜe wpływać na rozwój psychiczny.
METODY OZNACZANIA śELAZA
Istnieją liczne metody oznaczania Fe(II) i Fe(III). PoniŜej przedstawiono kilka najbardziej
popularnych:
W klasycznej metodzie oznaczania Ŝelaza strąca się Ŝelazo nośnikiem Mn lub Al. w
obecności odpowiednio NaOH lub amoniaku ze środowiska o pH 4-5 (Fe od Al oddziela się na
gorąco kwasem HCl). Śladowe ilości Ŝelaza strąca się w postaci siarczków. W obecności
winianów oddziela się w ten sposób Fe od Al, Ti, V, U i fosforanów. Jako nośnik stosuje się
Cd, Pb lub inny metal tworzący trudno rozpuszczalne siarczki. Przy strącaniu Ŝelaza(III) z
roztworów wodnych za pomocą roztworu amoniaku powstaje trudno rozpuszczalny uwodniony
tlenek Fe2O3•xH2O. W czasie praŜenia usuwa się wodę i powstaje Fe2O3, z masy którego
oblicza się masę Fe.
W analizie instrumentalnej Ŝelazo całkowite moŜna oznaczać metodą atomowej
spektrometrii absorpcyjnej. Oznaczenia prowadzi się w sposób bezpośredni. Próbka w czasie
poboru musi być zakwaszona, gdyŜ Ŝelazo wytrąca się na ściankach naczyń co skutkuje
zaniŜeniem wyniku analitycznego. W rudach Ŝelazo moŜna oznaczyć metodą Dewskiego
wykorzystującą miareczkowanie z detekcją potencjometryczną. Próbkę rudy rozpuszcza się,
redukuje Fe(II) za pomocą SnCl2 i natychmiast miareczkuje roztworem K2Cr2O7. Odczytuje się
dwa skoki potencjału: pierwszy odpowiadający utlenieniu cyny i drugi utlenieniu Ŝelaza(II) do
Ŝelaza(III).
Klasycznych metodach wykorzystujących reakcje barwne stosuje się rodanki, 1,10-
fenantrolinę i batofenantrolinę oraz czułą metodę oznaczania Fe(III) z uŜyciem
eriochromocyjaniny R i CTA. Reakcje te wykorzystuje się w metodach miareczkowych, a takŜe
w instrumentalnych metodach spektrofotometrii UV/VIS.
Metoda rodankowa. Jony rodankowe (tiocyjanianowe) reagują w niezbyt kwaśnym
środowisku z Fe(III), dając czerwone zabarwienie. Metodę stosuje się do oznaczenia Fe
całkowitego po utlenieniu Fe(II) do Fe(III). Oznaczać moŜna Fe w środowisku wodnym, w
środowisku acetonowo-wodnym lub po ekstrakcji kompleksu odpowiednim rozpuszczalnikiem
organicznym. W wyniku stopniowego tworzenia się kompleksów w roztworze mogą powstać
kompleksy np. [Fe(SCN)]2+, [Fe(SCN)2]+. StęŜenia reagentów i pH środowiska decydują, które
z kompleksów przewaŜają w roztworze. Stosuje się nadmiar SCN-, gdyŜ zabarwienia wodnych
roztworów kompleksów Fe(III) z SCN- nie są trwałe. Spektrofotometryczne oznaczenie
prowadzi się przy długości fali λ=480 nm. Ze względu na redukujące działanie rodanków na
Fe(III) juŜ po 30 min obserwuje się osłabienie zabarwienia o kilka procent, a po upływie 6 h
spada ono do połowy. W oznaczaniu przeszkadzają aniony tworzące z Fe(III) trwałe
kompleksy: fluorki, fosforany, cytryniany, szczawiany oraz jony metali tj. Co, Mo, Bi, Ti.
Metoda 1,10-fenantrolinowa. 1, 10-fenantrolina jest zasadą organiczną. Tworzy szybko z
jonami Fe(II) w środowisku słabo kwaśnym elektrododatni kompleks koloru pomarańczowego
(λ=512 nm). Metoda tą moŜna oznaczać Fe(II) lub całkowitą ilość Ŝelaza (po redukcji Fe(III)
do Fe(II)). Do redukcji Fe(III) stosuje się hydroksyloaminę, która redukuje Fe(III) w
środowisku o pH 3-4 w czasie kilku minut lub kwas askorbinowy (pH 0-1). Kompleks 1,10-
fenantroliny z Fe(II) nosi nazwę ferroiny i jest znanym wskaźnikiem redoks w analizie
miareczkowej. 1,10-fenantrolina tworzy z Fe(III) niebieski kompleks (λ=585 nm), co
6
wykorzystano do oznaczania większych ilości Ŝelaza.
Metoda eriochromocyjaniny R-CTA. Metoda ta naleŜy do czułych metod oznaczania
Fe(III) w spektrofotometrii UV/VIS. Podstawę oznaczenia stanowią potrójne kompleksy
eriochromocyjaniną R (ECR) i jonami cetylotrimetyloamoniowymi (CTA). Optymalne pH
wynosi około 4,5. Oznaczenie prowadzi się przy λ=610 nm. Oznaczeniu przeszkadzają liczne
metale tj.: Al., Ca, Se, V, Be. Fe(II) nie przeszkadza, chyba Ŝe Fe(II) zostanie utlenione tlenem
z powietrza.
Metoda sulfosalicylowa Kwas sulfosalicylowy tworzy z jonami Fe trzy kompleksy o
róŜnej barwie i składzie. W roztworach: o pH 2-3 kompleks czerwonofioletowy, o pH 4-7
kompleks brunatno-pomarańczowy, a w roztworze amoniakalnym o pH 8-10 trwały Ŝółty
kompleks (przy stosunku odczynników, odpowiednio: Fe:R = 1:1, 1:2, 1:3). Pierwszy z nich
wykorzystuje się do oznaczania Fe(III) w obecności Fe(II). Metoda jednak jest mało czuła
(ε=2,6·103 przy λ=490 nm). Zwykle kwasem sulfosalicylowym oznacza się sumę Ŝelaza (po
utlenieniu Fe(II)). Dla trwałego, Ŝółtego kompleksu współczynnik ekstynkcji ε=5,8·103 przy
λ=425 nm. Wartość absorbancji jest niemal dwukrotnie większa w środowisku alkalicznym
(pH 9) niŜ kwasowym (pH 2).
Zamiast kwasu sulfosalicylowego moŜna takŜe wykorzystać do oznaczenia kwas
salicylowy, który reaguje podobnie. Kwas ten jest mniej rozpuszczalny w roztworach wodnych.
Oznaczeniu temu przeszkadzają jony barwne (np. Cu, Mn) które naleŜy usunąć z roztworu na
przykład metodą strąceniową.
CEL ĆWICZENIA
Zapoznanie studentów ze specyfiką analiz wykonywanych wstrzykową techniką
przepływową
na
przykładzie
spektrofotometrycznego
oznaczania
Ŝelaza
metodą
sulfosalicyjową.
ZAGADNIENIA DO KOLOKWIUM
1.
Co to jest wstrzykowa technika przepływowa. Na czym polegają róŜnice miedzy
wstrzykową techniką przepływową a techniką cią głego przepływu?
2.
Jak wygląda rejestrowany sygnał analityczny po wstrzyknięciu segmentu próbki do
strumienia nośnika? Narysuj schematycznie węŜyk i podąŜający w nim roztwór wraz ze
wstrzykniętym roztworem próbki z pętli. Jak będzie wyglądał sygnał analityczny?
Narysuj i opisz. Jakie widzisz korzyści wynikające z postaci tak rejestrowanego sygnału?
3.
Wymień
podstawowe
elementy
zestawów
do
realizacji
badań
technikami
przepływowymi. Narysuj i opisz podstawowy zestaw do realizacji badań techniką WTP.
4.
Jakie podstawowe operacje chemiczne moŜemy wykonywać z zastosowaniem zestawów
WTP? Podaj i omów 2 przykłady.
5.
Wymień i krótko uzasadnij cztery największe korzyści (pod względem instrumentalno-
technicznym) wynikające z zastosowania układu pomiarowego realizowanego z
wykorzystaniem techniki przepływowej. Jakie jest podstawowe ograniczenie
zastosowania technik przepływowych?
6.
Omów budowę i zasadę działania zaworu wstrzykowo-przepływowego. Zaproponuj
konfigurację zaworu do realizacji pomiarów techniką przepływową.
7.
Co to jest dyspersja? Zdefiniuj współczynnik dyspersji, podaj wzór i wyjaśnij w jaki
sposób moŜna go wyznaczyć. W jaki sposób (ze względu na parametry techniczne
układu) moŜna kontrolować dyspersję? Podaj i omów dwa przykłady.
7
8.
Spektrofotometria UV/Vis – Na podstawie rysunku omów sposób detekcji sygnału
analitycznego w przypadku zastosowania zestawu WTP połączonego z detektorem
spektrofotometrycznym.
9.
Narysuj i opisz zestaw do realizacji badań techniką WTP jaki będzie zastosowany w
ćwiczeniu. Podaj warunki pomiarowe.
10. Na czym polegają badania optymalizacyjne. Po co się je wykonuje. Podaj przykład badań
optymalizacyjnych jakie będą wykonywane podczas ćwiczenia? Uzasadnij celowość
postępowania w kolejnych etapach optymalizacji.
11. Zastosowanie WTP w analizie materiałów środowiskowych. Podaj przykłady i krótko
omów jeden z nich.
12. Spektrofotometryczne metody oznaczania Ŝelaza. Podaj trzy przykłady (metoda i postać
w jakiej jest oznaczany Fe(III) lub Fe(II). Omów szerzej jeden z nich.
LITERATURA
1.
B. Kalberg, G.E. Pacey, Wstrzykowa analiza przepływowa dla praktyków, WNT,
Warszawa 1994, strony: 20-63, 71-80, 83-97, 143-170
2.
P. Kościelniak, M. Trojanowicz, Analiza przepływowa. Metody i zastosowania,
Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, 2005
3.
M. Trojanowicz, Automatyzacja w analizie chemicznej, WNT, Warszawa 1992, strony:
209-218, 231-248, 258-279
4.
W. Szczepaniak., Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, Warszawa 2002,
strony: 66-88, 385-391
5.
Z. Marczenko, M. Balcerzak, Spektrofotometryczne metody w analizie nieorganicznej,
PWN, 1998, strony:506-514
ODCZYNNIKI, NACZYNIA I PRZYRZĄDY
• kwas 5-sulfosalicylowy (C7H6O6S · 2H2O 10%), amoniak (2 mol/L NH3aq), kwas
azotowy(V) (1 % (v/v)), roztwór wzorcowy Ŝelaza (100 mg Fe/L), roztwór próbki
syntetycznej Ŝelaza o stęŜeniu 4 mg Fe/L, woda podwójnie destylowana
• kolby miarowe o pojemności: 50, 200, 250, 1000 mL, zlewki o pojemności 50 i 250 mL,
pipety nastawne o pojemności 1 i 5 mL, tryskawki, naczynia do podawania roztworów do
układu przepływowego,
• spektrofotometrUV/VIS Cintra 101 (GBC, Australia), λ=425 nm, wyposaŜony w
przystawkę z kuwetą przepływową,
• wstrzykowy analizator przepływowy LZ-2000 (Zhaofa, Chiny).
SPOSÓB WYKONANIA
Przygotowanie roztworów roboczych
Sporządzić serię roztworów wzorcowych Ŝelaz o stęŜeniach: 2, 4, 6, 10, 12, 14 mg Fe/L,
uzupełniając odpowiednie ilości podstawowego (100 mg/L) roztworu wzorcowego Ŝelaza
kwasem azotowym(V) 1% (v/v) w kolbach miarowych o pojemności 50 cm3.
Optymalizacja warunków doświadczalnych
Zestawić układ przepływowy według schematu przedstawionego na rys. 3 (zainstalować
pętlę wstrzykową o pojemności 500 µL i reaktor o długości 1 m).
8
nośnik
3,8 mL/min
P
M
próbka
3,8 mL/min
Det
Odpływ
P1
(425 nm)
Kw. 5-
Z
s ulfosalicylowy
0,7 mL/min
2 mol/L NH3 aq
0,7 mL/min
P
2
Odpływ
Rys. 3. Schemat analizatora WTP dostosowanego do spektrofotometrycznego oznaczania Ŝelaza
metodą sulfosalicylową; P1, P2 − pompy perystaltyczne, Z − zawór wstrzykowy, M − przewód
reaktora, Det − detektor, O − odpływ
Połączyć zestaw ze spektrofotometrem. Wprowadzając do zestawu wszystkimi
przewodami wodę, sprawdzić szczelność całego zestawu przy obu pozycjach zaworu −
napełnianie i wstrzyknię cie.
Zatrzymać urządzenie. Zanurzyć węŜyki w roztworach potrzebnych do oznaczenia.
Zamiast roztworu próbki uŜyć kwasu azotowego(V). Wyzerować spektrofotometr.
W pozycji wstrzykiwanie wyjąć szybko węŜyk i przełoŜyć do roztworu badanej próbki.
Wprowadzić kilkakrotnie próbkę do pętli o pojemności 500 µL. Określić czas konieczny do
całkowitego napełnienia pętli i wymycia roztworu podczas wstrzykiwania.
Wykonać trzykrotny pomiar sygnału dla próbki wstrzykniętej z pętli o pojemności 500
µL. To samo wykonać dla 3 wybranych reaktorów (1, 2, 4 i 5 m). Do następnych doświadczeń
wybrać reaktor zapewniający największą czułość oznaczenia Ŝelaza.
Zainstalować pętlę wstrzykową o pojemności 80 µL i trzykrotnie zmierzyć sygnał dla
próbki. To samo wykonać przy 3 wybranych pętlach (100, 200, 300, 400, i 500 µl). Do
następnych doświadczeń wybrać pętlę zapewniającą największą czułość oznaczenia Ŝelaza.
Badanie parametrów analitycznych metody
W warunkach optymalnych wprowadzić do układu jeden po drugim, sporządzone
roztwory wzorcowe, wstrzykując je z pętli dla próbki. Dla kaŜdego roztworu wykonać
trzykrotny pomiar absorbancji.
UwaŜnie kontrolując stałość wszystkich parametrów doświadczalnych zarejestrować 15-
20 wartości absorbancji dla próbki syntetycznej Ŝelaza, wstrzykiwanej kolejno do układu.
Wyznaczenie współczynnika dyspersji
Przy pomocy asystenta zmodyfikować tak układ, by moŜna było rejestrować sygnał
techniką ciągłego pomiaru wartości absorbancji (technika przepływowa). Przy dwóch róŜnych
prędkościach przepływu nośnika i próbki zarejestrować stały sygnał absorbancji w czasie kilku
minut. Dla tych samych prędkości przepływu zarejestrować po trzy sygnały techniką
wstrzykowo-przepływową.
OPRACOWANIE WYNIKÓW
Sporządź wykresy zaleŜności absorbancji od długości reaktora i pojemności pętli
wstrzykowej. Przedyskutuj otrzymane wyniki z punktu widzenia procesów fizycznych i
chemicznych zachodzących w zastosowanym układzie wstrzykowo-przepływowym.
9
Sporządź wykres kalibracyjny. Określ górny zakres oznaczalności Ŝelaza stosowaną
metodą. Określ liczbowo czułość metody.
Oblicz względne odchylenie standardowe sygnałów otrzymanych dla próbki w kolejnych
powtórzeniach pomiarów i określ precyzję metody. Biorąc pod uwagę wartość odchylenia
standardowego i czułość oznaczeń, oszacuj wartość dolnej granicy oznaczalności Ŝelaza
stosowaną metodą.
Odnosząc średnią wartość sygnału otrzymanego dla próbki do linii kalibracyjnej wyznacz
stęŜenie Ŝelaza w próbce. Określ liczbowo dokładność oznaczenia.
Wykorzystując sygnały uzyskane techniką wstrzykow-przepływową i przepływową
określ liczbowo współczynnik dyspersji dla dwóch róŜnych prędkości przepływu roztworów.
Na podstawie przebiegu ćwiczenia, otrzymanych wyników i własnych doświadczeń
analitycznych oceń WTP jako technikę wspomagającą analizy spektrofotometryczne.
10