5043_Navody LCIA - Ostravská univerzita

Ostravská univerzita v Ostravě
Přírodovědecká fakulta
Katedra chemie
Návody k laboratornímu cvičení
z instrumentální analýzy
Návody vznikly v rámci řešení projektu IRP reg. č. IRP201541
Autoři: Mgr. Martin Mucha, Ph.D.
Mgr. Lenka Bláhová
Ostrava 2015
Návody k laboratornímu cvičení z instrumentální analýzy
©Martin Mucha, Lenka Bláhová
© Přírodovědecká fakulta, Ostravská univerzita v Ostravě
Nedílnou součástí návodů je multimediální prezentace obsahující videoukázky stěžejních
činností jednotlivých úloh.
Návody vznikly za přispění projektu IRP Ostravské univerzity v Ostravě, reg. č. IRP201541.
Metody instrumentální analýzy v současné době představují jedny z nejpoužívanějších metod
chemické analýzy látek jak ve vědě a výzkumu, tak také v průmyslu nebo v ochraně životního
prostředí. Vynikají vyšší citlivostí oproti metodám klasické analýzy (gravimetrie, odměrná
analýza), ale na druhou stranu jsou mnohem finančně náročnější.
Tento kurz uvádí studenty do problematiky instrumentální analýzy praktickou výukou.
Studenti si vyzkouší různé spektrální metody, ale také metody elektrochemické.
Celý kurz je možné rozdělit do dvou okruhů:
1) Využití instrumentální analýzy při zjišťování obsahů různých látek v přírodních
vzorcích – stanovení chloridů přímou potenciometrií, stanovení dusičnanů UV/VIS
spektrometrií, stanovení tvrdosti vody metodou atomové absorpční spektrometrie,
stanovení obsahu vybraného léčiva ve vzorku vody, identifikace kontaminantů půd
metodou infračervené spektrometrie.
2) Vědecké využití instrumentální analýzy – v této části se studenti seznámí s možnostmi
studia složení komplexních částic metodami spektroskopie ve viditelné oblasti
(metoda poměru směrnic, Jobova metoda, metoda molárních poměrů).
Studenti by po absolvování měli mít základní dovednosti v ovládání jednotlivých přístrojů
a měli by být schopni provádět analýzy vzorků vybranými metodami.
Obsah
Stanovení chloridů pomocí metody přímé potenciometrie s iontově selektivní elektrodou
(ISE) ........................................................................................................................................... 5
Stanovení dusičnanů ve vodách VIS spektrometrií.................................................................... 8
Stanovení vápníku a hořčíku (tvrdosti vody) metodou AAS ................................................... 12
Stanovení léčiv ve vodách metodou kapalinové chromatografie s hmotnostní spektrometrií . 15
Identifikace kontaminantů půd metodou infračervené spektrometrie ...................................... 18
Stanovení složení komplexní částice Jobovou metodou .......................................................... 22
Stanovení složení komplexní částice metodou poměru směrnic .............................................. 28
Stanovení složení komplexní částice metodou molárních poměrů .......................................... 34
Stanovení
chloridů
pomocí
metody
přímé
potenciometrie s iontově selektivní elektrodou (ISE)
Teoretický úvod do problematiky
Chloridy představují početnou skupinu látek obsažených ve vodách. Jedná se o jeden
z nejčastěji zastoupených anionů. Obsahy chloridů ve vodách se mohou pohybovat od
jednotek mg/L v některých přírodních vodách do jednotek g/L ve znečištěných odpadních
vodách. Pro pitnou vodu je mezní hodnota obsahu chloridů (koncentrace, při jejímž
překročení ztrácí voda vyhovující jakost) daná normou. Stanovení koncentrace chloridů ve
vodách
lze
provést
různými
technikami
–
titračně,
spektrofotometricky
nebo
potenciometricky.
Stanovení v této úloze se provádí přímou potenciometrií s využitím iontově selektivní
elektrody (ISE). Funkce ISE - Cl elektrody je založena na iontové výměně mezi roztokem
a krystalickou membránou tvořenou směsným krystalem AgCl a Ag2S. Hodnota potenciálu
naměřená vůči srovnávací (referentní) elektrodě je dána koncentrací chloridových iontů.
Popis přístroje
Stanovení bude prováděno na potenciometru WTW InoLab 720 s připojenou
kombinovanou iontově selektivní elektrodou (referentní elektroda je umístěna v těle
elektrody, musí být udržován elektrolyt v elektrodě; obr. 1). Elektroda se připojí
k potenciometru. Před měřením musí být elektroda ponořena alespoň na 1 hodinu do roztoku
NaCl o koncentraci 0,1 mol/L (kondicionace, provede vyučující). Elektroda se uchovává nad
roztokem NaCl. Návod na sestavení měřícího systému naleznete v multimediálním průvodci.
Obr. 1: Přístroj pro měření potenciálu při stanovení chloridů
5
Zadání úlohy
Stanovte metodou přímé potenciometrie s ISE elektrodou obsah chloridových anionů v pitné
a minerální vodě.
Domácí příprava
1. Vypočítejte si navážku vysušeného NaCl pro přípravu 100 mL základního roztoku
NaCl o koncentraci 0,1 mol/L.
2. Navrhněte co nejhospodárnější způsob ředění kalibrační řady roztoků do 100 mL
odměrných baněk.
Pomůcky
Potenciometr, kombinovaná chloridová ISE elektroda, kádinky 50 mL, odměrné baňky
100 mL, váženka, střička s demineralizovanou vodou.
Chemikálie
Vysušený NaCl p.a.
Postup
1. Sestavení elektrodového systému
Sestavení měřícího systému naleznete v multimediální příloze.
•
Kombinovanou ISE elektrodu připojíme k přístroji InoLab 720.
•
Zapneme potenciometr a navolíme měření potenciálu.
2. Příprava kalibračních roztoků, vlastní měření
•
Připravte si 100 mL základního roztoku NaCl o koncentraci 0,1 mol/L.
•
Připravte ředěním základního roztoku kalibrační řadu roztoků o koncentracích
5 x 10-2, 5 x 10-3, 5 x 10-4, 5 x 10-5 mol/L.
•
Postupně proměřte kalibrační roztoky (včetně roztoku základního). Měření se
provádí v 50 mL kádince, do které se nalije takové množství roztoku, aby byla
ponořena spodní černá část ISE elektrody. Je nutné dávat pozor, aby na
elektrodě neulpěla bublinka!!! Před odečtením hodnoty potenciálu roztokem
v nádobce opatrně zamíchejte zakroužením nádobkou - pozor na nárazy do
elektrody. Toto proveďte 2 – 3x, až se hodnota potenciálu ustálí (nemění se o
6
více než 1 mV). Hodnotu potenciálu pro danou koncentraci zaznamenejte. Při
výměně měřeného roztoku elektrodu opláchněte demineralizovanou vodou a
osušte čtverečkem filtračního papíru nebo buničité vaty. Všechny roztoky
proměřte dvakrát - jednou postupujte od nejnižší koncentrace k nejvyšší,
podruhé opačným směrem. Pro sestavení kalibračního grafu použijte průměrů
z obou měření. Ukázku měření je možné nalézt v multimediální příloze.
•
Vzorek pitné a minerální vody se měří stejným způsobem jako kalibrační
roztoky. V případě, že vzorek bude obsahovat vyšší koncentraci chloridových
aniontů než je nejvyšší bod kalibrace (0,1 mol/L), tedy naměřený potenciál
bude vyšší než potenciál tohoto kalibračního bodu, je potřeba tento vzorek
vhodně naředit a změřit znovu.
3. Ukončení práce
•
Vypněte měřící přístroj (potenciometr), odpojte elektrodu.
•
ISE elektrodu pečlivě opláchněte destilovanou vodou a uložte do uchovávací
nádobky nad přítomný roztok.
Výpočet a zpracování dat
V tabulkovém kalkulátoru (MS Excel, OpenOffice Calc nebo LibreOffice Calc) sestrojte
kalibrační graf závislosti měřeného potenciálu na koncentraci kalibračních roztoků.
Kalibrační body proložte přímkou a nechejte si vypsat rovnici této přímky. Pro sestrojení
kalibračního grafu je potřeba převést hodnoty koncentrací na jejich záporné dekadické
logaritmy a tyto použít namísto přímých koncentrací.
Z rovnice vypočítejte záporný dekadický logaritmus koncentrace chloridových aniontů ve
vzorcích. Tento logaritmus převeďte na koncentraci. Výsledek vyjádřete v mg/L.
Kontrolní otázky
1. Z jakého důvodu musí být NaCl před přípravou zásobního roztoku vysušen?
2. Jaká je mezní hodnota obsahu chloridových anionů daná normou pro pitnou vodu?
3. Proč se musí do elektrody doplňovat elektrolyt?
7
Stanovení dusičnanů ve vodách VIS spektrometrií
Teoretický úvod do problematiky
Dusičnany patří, stejně jako chloridy, mezi hlavní anionty obsažené ve vodách.
Vyskytují se v různých koncentracích, od jednotek až desítek mg/L v povrchových vodách, až
po stovky mg/L v odpadních vodách. Samotné dusičnany jsou pro člověka málo závadné. Po
redukci v gastrointestinálním traktu na dusitany však mohou způsobovat dusičnanovou
methemoglobinemii. Z tohoto důvodu je obsah dusičnanů v pitné vodě limitován.
Metoda stanovení je založena na nitraci kyseliny salicylové dusičnany ze vzorku
v prostředí koncentrované kyseliny sírové nebo trichloroctové podle reakce:
O2N
COOH
+
COOH
+
HNO3
H2SO4/CCl3COOH
OH
COOH
OH
OH
NO2
Sodné soli vzniklých nitroderivátů jsou žlutě zbarveny. Intenzita zabarvení je úměrná
koncentraci NO3- ve vzorku.
Popis přístroje
Měření budete provádět na jednopaprskovém UV/VIS spektrometru Varian Cary 50 (obr. 2).
Přístroj je vybaven držákem na kyvety o optické dráze 1 cm. Při měření se nejdříve nastaví
nula na slepý vzorek a následně se měří jednotlivé roztoky. Jako zdroj záření je použita
wolframová žárovka pro viditelnou (VIS) oblast a deuteriová výbojka pro UV oblast.
Obr. 2: UV/VIS spektrometr Varian Cary 50
8
Zadání úlohy
Stanovte obsah dusičnanů v minerální vodě, příp. v pitné vodě metodou VIS spektrometrie
s kyselinou salicylovou.
Domácí příprava
1. Vypočítejte navážku KNO3 pro přípravu základního roztoku do odměrné baňky
100 mL, u něhož má být koncentrace NO3- iontů 100 mg/L.
2. Vypočítejte si ředění základního roztoku do 100 mL odměrných baněk pro přípravu
kalibrační sady roztoků o koncentracích 1; 2,5; 5; 7,5 a 10 mg/L.
Pomůcky
UV/VIS spektrometr, kyvety, odpařovací misky, vodní lázeň, odměrné baňky 100 mL,
váženka, střička s demineralizovanou vodou.
Chemikálie
1% salicylan sodný, koncentrovaná H2SO4 nebo kyselina trichloroctová (240 g do 25 mL
demineralizované vody), 30% hydroxid sodný, dusičnan draselný
Postup
1. Ze základního roztoku KNO3 o koncentraci NO3- 100 mg/L připravte ředěním do
100 mL odměrných baněk kalibrační řadu s koncentracemi NO3- iontů 1; 2,5; 5; 7,5
a 10 mg/L NO3-.
2. Na porcelánovou misku napipetujte 10 mL kalibračního roztoku a 1 mL 1% roztoku
salicylanu sodného. Roztok na misce se odpaří do sucha na vodní lázni. Po
vychladnutí se odparek ovlhčí 1 mL konc. H2SO4 a ponechá se 10 minut stát.
3. Obsah misky se zředí destilovanou vodou a kvantitativně převede do 50 mL odměrné
baňky, následně se přidá 7 mL 30% roztoku NaOH. Obsah baňky se nechá
vytemperovat na laboratorní teplotu a následně se objem baňky doplní destilovanou
vodou.
4. Stejným postupem se připravují i vzorky minerální vody nebo pitné vody (vždy dva
vzorky od každé).
5. Po doplnění baněk po rysku se proměří absorbance při vlnové délce 410 nm na
UV/VIS spektrometru.
9
6. Spuštění a nastavení UV/VIS spektrometru
•
Ovládání přístroje, včetně nastavení parametrů měření, je ukázáno
v multimediální příloze.
•
Přístroj zapněte zapnutím ovládacího PC.
•
Po spuštění PC spusťte z plochy program „concentration.exe“.
•
Vyčkejte, dokud přístroj nepřestane vydávat zvuk (aktivace přístroje).
•
Klikněte na tlačítko „Setup“ v levé části programu, čímž dojde k otevření okna
nastavení měření.
•
Na první záložce (Cary) se nastavují základní parametry měření: nastavte
Wavelenght (vlnovou délku) na 410 nm; Ave time (průměrný čas akvizice
dat) na 0,1; Replikate (opakovaná měření) na 3; meze osy Y nastavte na Ymin
0 a Ymax 2. Jedná se o výchozí parametry, které je možné v případě potřeby
měnit.
•
Na druhé záložce (Standards) zvolte Calibrating during run (kalibrace za
běhu – po spuštění měření tlačítkem Start dojde nejdříve k naměření
kalibrace). Dále nastavte hodnoty koncentračních jednotek měřených roztoků.
Do pole Standards vložte počet použitých standardů a v tabulce Standards
vložte koncentraci každého standardu do sloupce Conc. Nakonec nastavte Fit
type (typ kalibrační křivky) na Linear a koeficient determinace v poli Min R2
nastavte na 0,95 (čím více se hodnota blíží 1, tím lépe).
•
Na třetí záložce (Samples) zadejte počet vzorků do pole Number of Samples
a v tabulce Samples všechny vzorky pojmenujte (max. 20 znaků, nepoužívejte
diakritiku).
•
Dále ještě můžete nastavit na dalších záložkách formát reportu, příp.
automatické ukládání dat.
•
Nastavení ukončíte kliknutím na OK.
7. Vlastní měření na UV/VIS spektrometru
•
Postup měření je názorně ukázán v multimediální příloze.
•
Klikněte na tlačítko Zero v levé části programu. Přístroj Vás vyzve k vložení
blanku (slepého vzorku). Umístěte do přístroje kyvetu s destilovanou vodou
a klikněte na OK.
10
•
Stiskněte tlačítko Start. Vyberte standardy a vzorky k měření (ve výchozím
stavu jsou zvoleny všechny standardy a vzorky definované při nastavení
metody) a klikněte na OK.
•
Program Vás následně vyzve ke vložení kyvety s daným roztokem. Vložte
kyvetu do vzorkového prostoru a stiskněte OK. Tímto způsobem proměřte
všechny kalibrační standardy – přístroj spočítá kalibrační přímku a její
koeficient determinace.
•
Následně Vás přístroj vyzve ke vložení kyvety s prvním vzorkem. Vložte
kyvetu do vzorkového prostoru a klikněte na OK. Tímto způsobem proměřte
všechny vzorky. Po posledním vzorku klikněte v dialogu na tlačítko Finish.
•
Data si uložte (File-Save data as) na disk C:\> do složky LCIA4 pod Vaším
jménem, aby byl soubor kdykoli dohledatelný.
Výpočet a zpracování dat
Ze dvou paralelních stanovení vzorků minerální vody vypočítejte průměr a srovnejte
s deklarovaným obsahem dusičnanů v dané minerální vodě. V případě měření pitné vody
konfrontujte naměřenou hodnotu s limitní hodnotou danou normou.
Kontrolní otázky
1. Jaká je limitní hodnota pro obsah dusičnanů v pitné vodě daná normou?
2. V teoretickém úvodu k úloze je uvedeno, že sodné soli vznikajících nitroderivátů jsou
zbarveny žlutě. Dle uvedené rovnice vznikají reakcí nitroderiváty, nikoli jejich soli.
Přídavek jaké sloučeniny způsobuje vznik sodných solí?
11
Stanovení vápníku a hořčíku (tvrdosti vody) metodou
AAS
Teoretický úvod do problematiky
Vápník a hořčík patří mezi nejčastěji se vyskytující kationy ve vodách. Sumární koncentrace
těchto kationů se často udává jako „tvrdost vody“. Kromě těchto iontů většinou přírodní vody
obsahují ještě Na+, K+, příp. ionty železa nebo manganu v různých oxidačních stavech. Obsah
iontů ve vodách patří k významným ukazatelům kvality a využitelnosti vod pro různé účely.
Ionty kovů lze ve vodách stanovovat různými metodami (titračně – komplexometricky,
elektrochemicky, spektrálně). Nejčastěji se používá metoda atomové absorpční spektrometrie.
Atomová absorpční spektrometrie je založena na absorpci elektromagnetického záření
v UV/VIS oblasti volnými atomy sledovaného prvku. Vzorek se do atomárního stavu převádí
nejčastěji plamenovou technikou, kdy kovy jsou atomizovány v plameni vzduch – acetylén
a měří se absorpce záření o vlnové délce vhodné pro určitý koncentrační rozsah.
Popis přístroje
Úloha bude realizována na atomovém absorpčním spektrometru Varian AA 240FS
s plamenovou atomizací (obr. 3). Zdrojem primárního záření bude katodová výbojka.
Stanovení Ca lze provést při dvou vlnových délkách: 422,7 nm (koncentrační rozsah
0,01 – 3 mg/L) a 239,9 nm (koncentrační rozsah 2 – 800 mg/L). Stanovení Mg lze provést při
vlnových délkách 285,2 nm (koncentrační rozsah 0,003 – 1 mg/L) a 202,6 nm (koncentrační
rozsah 0,15 – 20 mg/L).
Obr. 3: Atomový absorpční spektrometr
12
Zadání úlohy
Stanovte obsah vápníku a hořčíku ve vzorcích minerálních vod, příp. v pitné vodě.
Domácí příprava
1. Stanovení
budete
provádět
vždy
při
vlnové
délce
odpovídající
vyššímu
koncentračnímu rozsahu. Vypočítejte si navážky hexahydrátu dusičnanu hořečnatého
a tetrahydrátu dusičnanu vápenatého pro přípravu základních roztoků o vhodné
koncentraci. Základní roztoky budete připravovat do 100 mL odměrných baněk.
2. Navrhněte a vypočítejte si ředění kalibrační sady roztoků pro stanovení obou kovů
(do 50 mL odměrných baněk).
Pomůcky
atomový absorpční spektrometr, automatické pipety, 50 mL odměrné baňky, 100 mL odměrné
baňky
Chemikálie
dusičnan hořečnatý hexahydrát, dusičnan vápenatý tetrahydrát, ředící voda (5 mL HNO3
na 1 L demineralizované vody)
Postup
1. Připravte si základní roztoky vápenatých a hořečnatých kationtů z připravených
chemikálií.
2. Na základě vypočítaného ředění si připravte kalibrační řady roztoků pro oba kationty.
3. Zapněte přístroj AAS dle následujícího postupu:
•
Zapněte PC.
•
Zapněte kompresor do zásuvky.
•
Zapněte přístroj AAS.
•
Otevřete ventily na láhvi s acetylénem (provede vedoucí cvičení).
•
Spusťte ovládací software přístroje.
4. Nastavte metodu pro první kation. Postup ovládání a nastavení softwaru je uveden
v multimediální příloze.
5. Zkontrolujte zarovnání hořáku. Postup najdete v multimediální příloze.
13
6. Zapalte plamen (postup v multimediální příloze) a nechte hořák alespoň 3 minuty
vyhřát. Plamen musí být rovnoměrný, spojitý, nesmí se „trhat“.
7. Během nahřívání nastavte názvy vzorků.
8. Spusťte analýzu a řiďte se dialogovými okny, která program vypisuje.
9. Po skončení analýzy zhasněte plamen. Celý postup analýzy je uveden
v multimediální příloze těchto návodů.
10. Proveďte nastavení softwaru a analýzu pro druhý kationt. V případě, že vzorek má
vyšší koncentraci než nejvyšší bod kalibrace (v příslušném řádku se Vám u vzorku
místo koncentrace vypíše OVER), je nutné vzorek vhodně naředit a stanovit znovu.
11. Každý vzorek stanovte 5 krát.
Výpočet a zpracování dat
Kalibrační závislost i s grafem počítá software, který vypočítá i koncentraci vzorku.
Z analýzy lze vygenerovat zprávu REPORT v textovém formátu. Zprávu si uložte na
flashdisk. Získané koncentrace statisticky zpracujte (zjistěte odlehlé výsledky a vypočítejte
intervaly spolehlivosti). Zhodnoťte tvrdost analyzovaných vzorků vody.
Kontrolní otázky
1. Jaké jsou možnosti vyjadřování tvrdosti vody?
2. Jaké typy tvrdosti vody se rozlišují? Čím se liší?
14
Stanovení léčiv ve vodách metodou kapalinové
chromatografie s hmotnostní spektrometrií
Teoretický úvod do problematiky
Jedním z polutantů sledovaných v přírodních vodách jsou také různá léčiva. Např. Ibuprofen
je nám všem známé léčivo používané například při bolestech hlavy. Jeho spotřeba
v posledních letech výrazně roste. Spolu s touto spotřebou však také roste množství tohoto
léčiva, které je neupotřebeno a je neodborně likvidováno neekologickým způsobem a tak se
dostává do životního prostředí, kde páchá nemalé škody.
Kapalinová chromatografie s detekcí pomocí hmotnostního spektrometru je v současnosti
nejpoužívanější metodou pro analýzu přírodních (povrchové či odpadní vody, výluhy půd,
extrakty rostlin) i biologických (sérum, moč – stanovení intoxikace léčivy, drogami či jinými
látkami
(například
houbami))
vzorků.
Zastává
tedy
v analytických
laboratořích
nezastupitelnou roli.
Popis přístroje
Laboratorní cvičení se bude provádět na HPLC/MS sestavě, která se skládá z kapalinového
chromatografu Dionex Ultimate 3000 a hmotnostního spektrometru Bruker micrOTOF-QII
(obr. 4).
Kapalinový chromatograf se skládá z degasseru, dvou ternárních gradientových pump,
autosampleru s dávkovací smyčkou, kolonového prostoru, v němž se nachází kolona Kinetex
C18, na které bude prováděna analýza,
DAD a fluorescenčního detektoru. Hmotnostní
spektrometr je vybaven iontovým zdrojem typu ESI a kvadrupólovým a TOF (time of flight)
detektorem.
15
Obr. 4: HPLC/MS systém Dionex-Bruker
Zadání úlohy
Určete složení směsi léčiv a následně stanovte množství ibuprofenu v dodaném vzorku.
Domácí příprava
1. Seznamte se s principy kapalinové chromatografie a hmotnostní spektrometrie.
2. V dostupné literatuře se pokuste nalézt, jaký je rozdíl mezi tvrdými a měkkými
iontovými zdroji.
3. Vypočítejte si ředění kalibrační řady roztoků o koncentracích 1, 5, 10, 50 a 100 mg/L
do vialek o objemu 1500 µL. Základní roztok ibuprofenu má koncentraci 400 mg/L.
Pomůcky
UHPLC/MS systém, vialky, automatické pipety.
Chemikálie
základní roztok ibuprofenu 400 mg/L
Postup
1. Proveďte identifikaci součástí předem změřeného neznámého vzorku. Postup práce
Vám sdělí asistent.
2. Ze základního roztoku o koncentraci 400 mg/L si připravte kalibrační řadu
o koncentracích 1, 5, 10, 50 a 100 mg/L.
16
3. Pod dohledem vedoucího cvičení proveďte nastavení kapalinového chromatografu.
Základní parametry jsou:
•
Mobilní fáze: 80:20 80% methanol:acetonitril
•
průtok mobilní fáze: 0,2 mL/min
•
kolona: Kinetex C18
•
Teplota kolony: 20 °C
•
nástřik: 5 µL
•
vlnová délka detekce – 225 nm
4. Hmotnostní spektrometr bude nastaven vedoucím cvičení před samotným cvičením.
5. Změřte kalibrační sadu od 1 do 100 mg/L (měření proveďte 3x)
6. Změřte neznámý vzorek (měření proveďte 3x)
Výpočet a zpracování dat
Získané výsledky identifikace směsi zhodnoťte. Výsledek stanovení uveďte ve formě
intervalu spolehlivosti. Porovnejte UV a MS detekci při stanovení koncentrace ibuprofenu ve
vzorku.
Kontrolní otázky
1. Jaké znáte detektory pro kapalinovou chromatografii?
2. Co musí obsahovat každý kapalinový chromatograf navíc oproti chromatografu
plynovému?
17
Identifikace kontaminantů půd metodou infračervené
spektrometrie
Teoretický úvod do problematiky
Kontaminace půd různými látkami, především v průmyslových oblastech, představuje
závažný problém. Kontaminující látky v půdách lze identifikovat různými způsoby, přičemž
infračervená spektrometrie patří k nejpoužívanějším.
Infračervená spektroskopie je analytická technika využívaná především pro identifikaci
a strukturní charakterizaci organických sloučenin. Absorpcí infračerveného záření dochází ke
změně vibračních, resp. vibračně - rotačních stavů molekul. V infračervené spektrometrii se
používá namísto vlnové délky tzv. vlnočet. Nejčastěji se využívá střední infračervené oblasti,
která je vymezena vlnočty 4000 – 400 cm-1. Infračervená spektra lze využít v analytické
chemii při identifikaci sloučenin, kdy se porovnává spektrum s knihovnou spekter nebo
s literaturou, při identifikaci funkčních skupin na základě charakteristických absorpčních pásů
nebo při určování struktury organických látek. Měření pevných vzorků je možné provádět
různými metodami – technikou KBr tablety, nujolovou technikou nebo odraznými technikami
– zeslabený totální odraz (ATR) nebo difúzní reflektance (DRIFT).
Popis přístroje
Měření budou prováděna na FTIR spektrometru Nicolet 6700 metodou na průchod
a technikou ATR (obr. 5). Jedná se o přístroj využívající Fourierovy transformace, je tedy
vybaven
Michelsonovým
interferometrem.
Vzorkem
tak
prochází
polychromatické
rekombinované záření. Měření je velmi rychlé, je možné akumulovat větší množství
jednotlivých spekter (scanů), jejichž zprůměrováním se dosahuje vysokého odstupu signálu
od šumu, měření je tedy velmi citlivé.
18
Obr. 5: Infračervený spektrometr Nicolet 6700
Zadání úlohy
Určete látky, které jsou přítomny v dodaných vzorcích kontaminované půdy.
Domácí příprava
1. Nastudujte si teorii infračervené spektrometrie, její instrumentaci (včetně funkce
Michelsonova interferometru) a techniky měření (zaměřte se na tabletovou techniku
a ATR, včetně jejich výhod a nevýhod a typů vzorků, které jimi lze/nelze měřit).
Pomůcky
Iinfračervený spektrometr Nicolet 6700, achátová miska s tloučkem, tabletovací forma,
vibrační mlýnek, lis, kopisti.
Chemikálie
spektroskopický KBr, vzorky kontaminovaných půd, vzorek čisté půdy, vzorky kontaminantů
Postup
1. Na základě vlastností dodaných vzorků kontaminovaných půd rozhodněte, kterou
techniku měření bude potřeba použít pro jeho měření (technika KBr tablety, ATR).
2. Proveďte měření vzorků technikou KBr:
•
Postup při přípravě je uveden v multimediální příloze.
•
Naměří se pozadí přístroje (pozadí se akumuluje před měřením každého
vzorku).
•
Nejdříve se připraví tableta bez vzorku (jen KBr).
•
Pak se proměří vzorek nekontaminované půdy.
19
•
Následně připravte a změřte tabletu/tablety se vzorky kontaminovaných půd.
•
Základní postup přípravy KBr tablety:
o Malé množství vzorku důkladně rozetřete v čisté achátové misce.
o Do kapsle vibračního mlýnku navažte 1 – 2 mg vzorku.
o Do kapsle přidejte 200 – 250 mg vysušeného KBr.
o Homogenizujte vzorek s KBr ve vibračním mlýnku po dobu 5 s.
o Vzorek přesypte do sestavené lisovací formy, uzavřete ji a lisujte.
o Lisování se provádí dvoustupňově za vakua. Nejdříve na 40 kN
následně na 80 kN.
•
Proveďte odečty spekter KBr a nekontaminované půdy od spekter vzorků
a identifikujte příslušné kontaminanty.
3. Proveďte měření vzorků technikou ATR:
•
Postup měření technikou ATR je názorně ukázán v multimediální příloze.
•
Do vzorkového prostoru se nasadí nástavec pro měření technikou ATR.
•
Vzorek, který má být změřen se rozmělní v achátové misce (v případě
práškových vzorků).
•
Naměří se pozadí přístroje (pozadí se akumuluje před měřením každého
vzorku).
•
Malé množství vzorku se nasype na krystal, upraví se teflonovou špachtlí
a následně se (přes nerezovou kopist) přitiskne momentovou tlačkou. Takto
připravený vzorek se změří.
•
V případě měření kapalných vzorků se na krystal nasadí nástavec pro měření
kapalných vzorků a vzorek se jednoduše (plastovou pipetkou) nakápne na
krystal a změří.
•
Změřte spektra nekontaminované zeminy, vzorků kontaminovaných zemin
a možných kontaminantů.
•
Od spekter vzorků kontaminovaných půd odečtěte spektrum nekontaminované
půdy a identifikujte znečištění.
Výpočet a zpracování dat
Naměřte spektra všech vzorků. Následně proveďte jejich zpracování dle postupu (odečty
jednotlivých spekter a identifikace). Do protokolu uveďte naměřená i vyhodnocená spektra,
20
identifikaci všech polutantů, včetně důvodu rozhodnutí pro daný polutant (např. nalezeno
v knihovně se shodou x%, identifikováno na základě popisu pásů, včetně uvedení popisu
pásů) na základě doporučení vedoucího cvičení.
Kontrolní otázky
1. Z jakého důvodu je nutné změřit vzorek nekontaminované půdy při použití různých
technik opakovaně? Jednou při měření v KBr a podruhé při měření na ATR? Nebylo
by možné použít při měření na ATR spektrum nekontaminované půdy naměřené
technikou KBr tablety?
2. Z jakého důvodu se KBr tablety lisují za vakua?
21
Všechny následující úlohy budou realizovány na jednopaprskovém VIS spektrometru
Spekol 11 (obr. 6). Jedná se o jednoduchý přístroj s manuálně ovládaným monochromátorem.
Zdrojem záření je wolframová žárovka. Přístroj umožňuje měření v kyvetách s optickou
dráhou 1 cm.
Obr. 6: VIS spektrometr Spekol
Stanovení složení komplexní částice Jobovou metodou
Teoretický úvod do problematiky
Absorpce elektromagnetického záření roztoky vhodných sloučenin se řídí Bouguer-LambertBeerovým zákonem:
A =ε .b.c
kde:
A … je absorbance
ε…
molární absorpční koeficient [L/mol . cm]
b…
délka kyvety[cm]
c…
látková koncentrace absorbujích částic [mol/L]
Tento zákon platí za známých podmínek a využívá se hlavně pro analytické účely, zejména
pro stanovení kationtů kovů ve formě komplexů.
Závislost absorbance na koncentraci měříme při té vlnové délce, kdy je absorbance
největší. Tuto vlnovou délku zjistíme měřením spektra absorbující částice, což je závislost
absorpce světla na vlnové délce. Při měření spektra zjišťujeme veličinu úměrnou absorpci,
a to zpravidla absorbanci, transmitanci, absorpční koeficient nebo jeho logaritmus. Vlnovou
délku lze vyjádřit též jako vlnočet.
22
Jedním z dalších využití spektrofotometrie je určení složení absorbující komplexní částice.
Často užívanou metodou je metoda kontinuálních variací, tzv. Jobova metoda.
Princip je následující:
uvažujme jednoduchý případ, kdy smísením roztoku kationtu kovu M, např. Fe2+, a roztoku
ligandu L, např. 2,2´-dipyridilu, vznikne komplex MLn
M + n L = MLn
Měříme-li absorbanci roztoku s komplexní částicí, pak pro b = 1 cm je
A = εMLn . [MLn]
kde [MLn] je rovnovážná koncentrace komplexu.
Analytické koncentrace kovu a ligandu cM a cL jsou
cM = [M] + [MLn]
cL = [L] + n . [MLn]
kde koncentrace v hranatých závorkách jsou koncentrace rovnovážné.
Při měření pomocí Jobovy metody měníme analytickou koncentraci kovu v roztoku tak, že
součet analytických koncentrací kovu a ligandu zůstává konstantní, tedy:
cM + cL = c
Vyjádříme-li cM a cL pomocí molárního zlomku kovu xM dostáváme
cM = c . xM
cL = c . (1 - xM).
Po dosazení do výrazu pro konstantu stability βn
23
βn =
[ML n ]
[M].[L]n
a úpravě dostáváme funkci
[MLn] = βn . (c.xM – [MLn]) . {c.(1 – xM) - n.[MLn]}n ,
která má maximum v bodě
n=
1− xM
.
xM
Měření provádíme tak, že pro sadu roztoků komplexu s různou hodnotou molárního
zlomku kovu proměříme absorbanci při té vlnové délce, kdy je absorpce záření největší
(to zjistíme ze spektra komplexní částice). Graficky zjistíme maximum změřené funkce
a z hodnoty xM v maximu vypočteme hodnotu n.
Jobova metoda je vhodná i pro méně stabilní komplexy. Je-li však n > 3, nejistota
v určování n roste.
Popis přístroje
Měření budou prováděna na jednopaprskovém spektrofotometru Spekol. Po zapnutí se
vyčká 15 - 20 minut, než se přístroj stabilizuje a je připraven k měření (pokud bude přístroj
zapnut, není nutno čekat).
Měření absorbance se provádí ve skleněných kyvetách délky 1 cm proti destilované vodě
jako referentnímu vzorku. Kyvety je nutno udržovat čisté!! Při manipulaci s kyvetami se
nedotýkejte leštěných ploch, kterými vstupuje a vystupuje paprsek. Měřený roztok se vpraví
do kyvety pomocí plastové pipetky, zbylé kapky roztoku z plastové pipetky se odsají na
filtračním papíře. Kyvetu vsuňte do držáku a odečtěte absorbanci. Změřený roztok vylijte
z kyvety do kádinky na odpad, kapky vyklepněte a odsajete na filtračním papíře. Kyvetu i
pipetku vypláchněte dalším roztokem, který budete měřit a kapky z kyvety i pipetky opět
vyklepněte a odsajte. Poté kyvetu naplňte měřeným roztokem a změřte absorbanci.
Výslovně je třeba upozornit na správné nastavování nuly před každým měřením, tzn. při
každé změně vlnové délky i při změně měřeného roztoku! Vždy vůči kyvetě s destilovanou
vodou!
24
Zadání úlohy
Proměřte časovou stálost komplexu železnatého kationtu Fe(II) s 2,2´-dipyridylem,
absorpční spektrum tohoto komplexu ve viditelné oblasti a určete složení komplexní částice
Jobovou metodou.
2,2´-Dipyridyl
Domácí příprava
Pro úkol 2 připravte přehlednou tabulku dle následující schématu:
λ[nm]
A↓
A ↑
A průměrná
390
...
...
...
410
...
...
...
430
...
...
...
Pro úkol 3 připravte přehlednou tabulku dle následujícího schématu:
číslo baňky
molární zlomek xFe
A ↓
A ↑
průměrná A
1
…
…
…
…
2
…
…
…
…
3
…
…
…
…
Pomůcky
Odměrné baňky: 12 ks s objemem 25 mL, 1 ks s objemem100 mL.
Pipety: 2 ks - dělená 5 ml, 2 ks - dělená 10 mL, 1 ks - nedělená 5 mL, 1 ks - nedělená 10 mL.
Plastová střička, 1 list filtračního papíru, tenký fix na popisování baněk, pipetka plastová,
kádinka na odpad – asi 500 mL.
25
Chemikálie
Roztoky a chemikálie (připravené na tácu): 0,001 M (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O okyselený
koncentrovanou H2SO4 (1 mL/1000 mL); 0,01 M 2,2´-dipyridyl, 0,1 M octan sodný
s hydroxylaminem (6 g/L - slouží k úpravě pH a zamezení oxidace Fe(II)).
Postup
1/ Ověření časové stálosti komplexu
Do baňky o objemu 25 mL napipetujete postupně 5 mL roztoku octanu sodného
s hydroxylaminem, 2 mL 0,01 M 2,2´-dipyridylu a 2 mL 0,001 M roztoku Fe(II). Doplňte
destilovanou vodou, řádně promíchejte a ihned změřte absorbanci při 500 nm (t = 0). Měření
opakujete v pětiminutových intervalech do celkového času 20 minut. Pokud se hodnota
absorbance po tuto dobu nezmění o více než 0,005, je možno považovat komplex za stálý.
2/ Měření spektra komplexu
Se stejným roztokem jako v předchozím případě provedete měření spektra v oblasti 390 –
550 nm s krokem 10 nm. Změříte dvě řady měření – od nízkých vlnových délek k vyšším
a zpět. Výsledky zapisujete do předem připravené tabulky.
3/ Určení složení komplexní částice Jobovou metodou
Ředěním zásobního roztoku 0,01 M 2,2´-dipyridylu si připravíte 100 mL pracovního
roztoku o koncentraci 0,001 M (pomocí nedělené pipety 10 mL). Do 25 mL odměrných baněk
postupně pipetujete roztok octanu sodného s hydroxylaminem, 2,2´-dipyridyl a roztok Fe(II)
podle následujícího schématu:
číslo baňky
ml roztoku
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
ml octanu s NH2OH 5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
ml dipyridylu
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
ml Fe(II)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
26
Baňky doplníte po rysku destilovanou vodou a důkladně promícháte. Po 10 minutách měříte
absorbanci proti destilované vodě při té vlnové délce, kdy je absorbance největší – viz
předchozí měření spektra. Měření provádíte od baňky č.1 až č.11 a zpět.
Výsledky zapisujete do předem připravené tabulky.
Výpočet a zpracování dat
Výsledky měření časové stálosti komplexu uveďte v přehledné tabulce a slovně zhodnoťte.
Měření spektra komplexu zpracujte graficky, uveďte hodnotu vlnové délky λmax, pro kterou je
absorbance maximální. Měření složení komplexní částice zpracujte graficky, určete graficky –
pomocí tečen - maximum změřené funkce a vypočtěte stechiometrické složení komplexu.
Kontrolní otázky
1. Co se stane, pokud změníme optickou dráhu kyvety (zmenšíme nebo zvětšíme). Jaký
vliv to bude mít na analýzu?
2. Jaké ionty železa vzniknou v roztoku (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O ?
27
Stanovení složení komplexní částice metodou poměru
směrnic
Teoretický úvod do problematiky
Absorpce elektromagnetického záření roztoky vhodných sloučenin se řídí Bouguer-LambertBeerovým zákonem:
A =ε .b.c
kde:
A … je absorbance
ε…
molární absorpční koeficient [L/mol . cm]
b…
délka kyvety[cm]
c…
látková koncentrace absorbujích částic [mol/L]
Tento zákon platí za známých podmínek a využívá se hlavně pro analytické účely, zejména
pro stanovení kationtů kovů ve formě komplexů.
Závislost absorbance na koncentraci měříme při té vlnové délce, kdy je absorbance
největší. Tuto vlnovou délku zjistíme měřením spektra absorbující částice, což je závislost
absorpce světla na vlnové délce. Při měření spektra zjišťujeme veličinu úměrnou absorpci,
a to zpravidla absorbanci, transmitanci, absorpční koeficient nebo jeho logaritmus. Vlnovou
délku lze vyjádřit též jako vlnočet.
Jedním z dalších využití spektrofotometrie je určení složení absorbující komplexní částice.
Jednou ze tří užívaných metod je metoda poměru směrnic.
Princip je následující:
uvažujme jednoduchý případ, kdy smísením roztoku kationtu kovu M, např. Fe2+, a roztoku
ligandu L, např. 1,10-fenanthrolinu, vznikne komplex MLn
M + n L = MLn
Měříme-li absorbanci roztoku s komplexní částicí, pak pro b = 1 cm je
A = εMLn . [MLn]
28
kde [MLn] je rovnovážná koncentrace komplexu.
Analytické koncentrace kovu a ligandu cM a cL jsou
cM = [M] + [MLn]
cL = [L] + n . [MLn]
kde koncentrace v hranatých závorkách jsou koncentrace rovnovážné.
Tedy:
[MLn] = cM - [M]
[ ML n ] =
c L − [L]
n
Nejprve zajistíme, že analytická koncentrace ligandu cL bude konstantní a podstatně větší než
koncentrace kovu. To znamená, že rovnovážná koncentrace [M] bude malá, a tedy
[MLn] ≅ cM .
Poté zajistíme, že cM bude konstantní a podstatně větší než cL, to znamená, že [L] bude malé
a tedy
[ML n ] ≅
cL
.
n
Pro oba případy proměříme závislost absorbance na koncentraci kovu resp. ligandu
A1 = εMLn . [MLn] ≅ εMLn .cM = k1 . cM
A2 = εMLn . [MLn] ≅ εMLn . cL/n = k2 . cL
kde k1 a k2 jsou směrnice přímek. Z jejich poměru pak vypočteme hodnotu n.
29
Metoda je vhodná i pro méně stabilní komplexy, neboť pracuje vždy s přebytkem jedné
z reagujících částic, rovnováha se tedy posouvá vždy ve prospěch komplexní částice.
Popis přístroje
Měření budou prováděna na jednopaprskovém spektrofotometru Spekol. Po zapnutí se vyčká
15 - 20 minut, než se přístroj stabilizuje a je připraven k měření (pokud bude přístroj zapnut,
není nutno čekat).
Měření absorbance se provádí ve skleněných kyvetách délky 1 cm proti destilované vodě
jako referentnímu vzorku. Kyvety je nutno udržovat čisté!! Při manipulaci s kyvetami se
nedotýkejte leštěných ploch, kterými vstupuje a vystupuje paprsek. Měřený roztok se vpraví
do kyvety pomocí plastové pipetky, zbylé kapky roztoku z plastové pipetky se odsají na
filtračním papíře. Kyveta se vsune do držáku a změří se absorbance. Změřený roztok vylijte
z kyvety do kádinky na odpad, kapky vyklepněte a odsajete na filtračním papíře. Kyvetu i
pipetku vypláchněte dalším roztokem, který budete měřit a kapky z kyvety i pipetky opět
vyklepněte a odsajte. Poté kyvetu naplňte měřeným roztokem a změřte absorbanci.
Výslovně je třeba upozornit na správné nastavování nuly před každým měřením, tzn. při
každé změně vlnové délky i při změně měřeného roztoku! Vždy vůči kyvetě s destilovanou
vodou!
Zadání úlohy
Proměřte časovou stálost komplexu železnatého kationtu Fe(II) s 1,10 - fenanthrolinem,
absorpční spektrum tohoto komplexu ve viditelné oblasti a určete složení komplexní částice
metodou poměru směrnic.
1,10- fenanthrolin
Domácí příprava
Připravte přehlednou tabulku pro úkol 2 např. dle následujícího schématu:
λ[nm]
A↓
A ↑
A průměrná
390
...
...
...
400
...
...
...
410
...
...
...
30
Připravte si výpočty pro přípravu roztoků, které budete pro úlohu potřebovat.
Připravte přehledné tabulky pro úkol 3 např. dle následujícího schématu:
číslo baňky
cFe(II)[mol/L]
A ↓
A ↑
průměrná A
1
…
…
…
…
2
…
…
…
…
3
…
…
…
…
číslo baňky
cL[mol/L]
A ↓
A ↑
průměrná A
1
…
…
…
…
2
…
…
…
…
3
…
…
…
…
Pomůcky
Odměrné baňky: 6 ks s objemem 25 mL, 1 ks s objemem100 mL
Pipety: 1 ks-dělená 2 mL, 2 ks- dělená 5 mL, 2 ks-nedělená 5 mL.
Plastová střička, 1 list filtračního papíru, tenký fix na popisování baněk, pipetka plastová,
kádinka na odpad – asi 500 mL.
Chemikálie
Roztoky připravené na tácu:
0,0005 M (NH4)2Fe(SO4)2 .6H2O okyselený koncentrovanou H2SO4 (1 mL/1000 mL), 0,01 M
1,10-fenanthrolin, 0,1 M octan sodný s hydroxylaminem (6 g/L - slouží k úpravě pH
a zamezení oxidace Fe(II)).
Postup
1/ Ověření časové stálosti komplexu
Do baňky o objemu 25 mL napipetujte postupně 5 mL roztoku octanu sodného
s hydroxylaminem, 2 ml 0,01 M roztoku 1,10-fenanthrolin a 2 mL 0,0005 M roztoku Fe(II).
Doplňte destilovanou vodou, řádně promíchejte a ihned změřte absorbanci při 500 nm (t = 0).
Měření opakujete v pětiminutových intervalech do celkového času 20 minut. Pokud se
31
hodnota absorbance po tuto dobu nezmění o více než 0,005, je možno považovat komplex za
stálý.
2/ Měření spektra komplexu
Se stejným roztokem jako v předchozím případě provedete měření spektra v oblasti 390 –
550 nm s krokem 10 nm. Změříte dvě řady měření – od nízkých vlnových délek k vyšším
a zpět. Výsledky zapisujete do předem připravené tabulky.
3/ Určení složení komplexní částice metodou poměru směrnic
Ředěním zásobního roztoku 0,01 M 1,10-fenanthrolinu připravíte 100 mL pracovního
roztoku o koncentraci 0,0005 M (použijete nedělenou pipetu 5 mL).
Do 25 mL odměrných baněk postupně pipetujete roztok octanu sodného s hydroxylaminem,
1,10-fenanthrolinu a roztok Fe(II) podle následujících schémat:
1. řada – pozor, pipetujete činidlo (roztok fenanthrolinu) o koncentraci 0,01 M!!!
číslo baňky
ml roztoku
1
2
3
4
5
ml octanu s NH2OH
5
5
5
5
5
ml činidla 0,01 M!!!
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
ml Fe(II)
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Baňky doplníte po rysku destilovanou vodou a důkladně promícháte. Po 15 minutách
měříte absorbanci proti destilované vodě při té vlnové délce, kdy je absorbance největší – viz
předchozí měření spektra. Měření provádíte od baňky č.1 až č.5 a zpět.
Výsledky zapisujete do předem připravené tabulky.
2. řada – pozor, pipetujete činidlo (roztok fenanthrolinu) o koncentraci 0,0005M!!!
32
číslo baňky
ml roztoku
1
2
3
4
5
5
5
5
5
5
ml činidla 0,0005M!!! 1
2
3
4
5
ml Fe(II)
5
5
5
5
ml octanu s NH2OH
5
Baňky opět doplníte po rysku destilovanou vodou a důkladně promícháte. Po 15 minutách
měříte absorbanci proti destilované vodě. Měření provádíte od baňky č.1 až č.5 a zpět.
Výsledky zapisujete do obdobné, předem připravené tabulky, např.
Výpočet a zpracování dat
Měření časové stálosti komplexu uveďte v tabulce, případně graficky a slovně zhodnoťte.
Měření spektra komplexu zpracujte graficky, uveďte hodnotu vlnové délky λmax, pro kterou je
absorbance maximální. Měření složení komplexní částice zpracujte graficky. Vypočtěte
rovnice obou přímek metodou nejmenších čtverců nebo přímky zjistěte pomocí vhodného
grafického software, z poměru vypočtených směrnic určete stechiometrické složení
komplexu.
Kontrolní otázky
1. Do jaké barvy barví fenanthrolin roztok s Fe(II)?
2. Jaké komplexní sloučeniny se železem znáte? Vyjmenujete min. 3.
33
Stanovení
složení
komplexní
částice
metodou
molárních poměrů
Teoretický úvod do problematiky
Absorpce elektromagnetického záření roztoky vhodných sloučenin se řídí Bouguer-LambertBeerovým zákonem:
A =ε .b.c
kde:
A … je absorbance
ε…
molární absorpční koeficient [L/mol . cm]
b…
délka kyvety[cm]
c…
látková koncentrace absorbujících částic [mol/L]
Tento zákon platí za známých podmínek a využívá se hlavně pro analytické účely, zejména
pro stanovení kationtů kovů ve formě komplexů. Předpokladem analytického využití vzniku
komplexní částice je její časová stálost a vysoká konstanta stability. Při dostatečně vysoké
konstantě stability je totiž většina kovu v komplexu.
Závislost absorbance na koncentraci měříme při té vlnové délce, kdy je absorbance
největší. Tuto vlnovou délku zjistíme měřením spektra absorbující částice, což je závislost
absorpce světla na vlnové délce. Při měření spektra zjišťujeme veličinu úměrnou absorpci,
a to zpravidla absorbanci, transmitanci, absorpční koeficient nebo jeho logaritmus. Vlnovou
délku lze vyjádřit též jako vlnočet.
Jedním z dalších využití spektrofotometrie je určení složení absorbující komplexní částice.
Jednou z užívaných metod je metoda molárních poměrů. Je v podstatě ekvivalentní
fotometrické titraci.
Princip je následující:
uvažujme jednoduchý případ, kdy smísením roztoku kationtu kovu M, např. Fe2+, a roztoku
ligandu L, např. 2,2´-dipyridilu, vznikne komplex MLn
M + n L = MLn
34
Měříme-li absorbanci roztoku s komplexní částicí, pak pro b = 1 cm je
A = εMLn . [MLn]
kde [MLa] je rovnovážná koncentrace komplexu.
Analytické koncentrace kovu a ligandu cM a cL jsou:
cM = [M] + [MLn]
cL = [L] + n . [MLn]
kde koncentrace v hranatých závorkách jsou koncentrace rovnovážné.
Zajistíme, aby koncentrace cM byla konstantní, a měníme koncentraci cL tak, aby se poměr
cL/cM měnil od 0,1 do 10 případně 20.
Vyjádříme-li tento poměr pomocí rovnovážných koncentrací je:
c L [L] + n.[ML n ]
=
cM
[M] + [ML n ]
Víme, že měřená absorbance je úměrná rovnovážné koncentraci komplexu. Dosadíme-li do
předchozí rovnice z příslušné rovnice pro absorbanci, pak pro [L] = [M] ≅ 0, tedy v bodě
ekvivalence, je
cL
=n.
cM
Prakticky tedy proměříme závislost absorbance na poměru cL/cM a v místě zlomu této funkce
odečteme n.
Metoda je vhodná spíše pro stabilní komplexy. U méně stabilních je funkce v okolí zlomu
zakřivená a bod ekvivalence je třeba určit extrapolací přímkových úseků, což snižuje jistotu
v určení n.
35
Platí, že 2,2´-dipyridyl tvoří barevný komplex jen s železnatým kationtem, zatímco
s železitým za stejných podmínek nikoliv. Toho lze s výhodou pro stanovení podílu obou
forem takto:
V části neznámého vzorku nejprve, pomocí kalibračního grafu, stanovíme dvojmocné železo.
Poté, v jiné části vzorku, provedeme redukci trojmocného Fe(III) na Fe(II) například
hydroxylaminem a stanovíme veškeré železo jako Fe(II). Z rozdílu obou stanovení vypočteme
podíl trojmocného železa.
Popis přístroje
Měření budou prováděna na jednopaprskovém spektrofotometru Spekol. Po zapnutí se vyčká
15 - 20 minut, než se přístroj stabilizuje a je připraven k měření (pokud bude přístroj zapnut,
není nutno čekat).
Měření absorbance se provádí ve skleněných kyvetách délky 1 cm proti destilované vodě
jako referentní vzorek. Kyvety je nutno udržovat čisté!! Při manipulaci s kyvetami se
nedotýkejte leštěných ploch, kterými vstupuje a vystupuje paprsek. Měřený roztok se vpraví
do kyvety pomocí plastové pipetky, zbylé kapky roztoku z plastové pipetky se odsají na
filtračním papíře. Kyvetu vsuňte do držáku a zaznamenejte si absorbanci. Změřený roztok
vylijte z kyvety do kádinky na odpad, kapky vyklepněte a odsajete na filtračním papíře.
Kyvetu i pipetku vypláchněte roztokem, který budete měřit a kapky z kyvety i pipetky opět
vyklepněte a odsajte. Poté kyvetu naplňte měřeným roztokem a změřte absorbanci.
Výslovně je třeba upozornit na správné nastavování nuly před každým měřením, tzn. při
každé změně vlnové délky i při změně měřeného roztoku! Vždy vůči kyvetě s destilovanou
vodou!
Zadání úlohy
Určete složení komplexní částice kationtu Fe(II) s 2,2´-dipyridylem metodou molárních
poměrů.
Domácí příprava
Připravit si veškeré výpočty pro ředění roztoků, které budou využity ve cvičení.
36
Vytvořit přehlednou tabulku pro naměřená data v úkolu, např. dle následujícího schématu:
číslo baňky
cL/cM
1
2
3
…
…
…
A ↓
…
…
…
A ↑
…
…
…
průměrná A
…
…
…
Pomůcky
Odměrné baňky: 8 ks s objemem 25 mL, 7 ks s objemem 50 mL, 2 ks s objemem100 mL.
Pipety: 2 ks dělená 5 mL, 2 ks dělená 10 mL, 1 ks dělená 10 mL, 1 ks nedělená 5 mL, 1 ks
nedělená 10 mL.
Plastová střička, 2 listy filtračního papíru, tenký fix na popisování baněk, pipetka plastová,
kádinka na odpad – asi 500 mL, špachtle na navažování, váženka - lodička, malá nálevka
(průměr 50 nebo 100 mm).
Chemikálie
Roztoky:
0,001 M (NH4)2Fe(SO4)2 .6 H2O okyselený koncentrovanou H2SO4 (1 mL/1000 mL), 0,01 M
2,2´-dipyridyl, 0,1 M octan sodný s hydroxylaminem (6g/L - slouží k úpravě pH a zamezení
oxidace Fe(II)).
Postup
1/ Určení složení komplexní částice metodou molárních poměrů.
Ředěním zásobního roztoku 0,01 M 2,2´-dipyridylu připravíte 100 mL pracovního roztoku
o koncentraci 0,001 M (použijete nedělenou pipetu 10 mL).
Do 25 mL odměrných baněk postupně pipetujte roztok octanu sodného s hydroxylaminem,
2,2´-dipyridyl (činidlo) a roztok Fe(II) podle následujícího schématu:
ml roztoku
číslo baňky
1
2
3
4
5
6
7
8
ml octanu s NH2OH 5
ml činidla (0,001 M) 2
ml Fe(II)
2
5
3
2
5
4
2
5
5
2
5
6
2
5
8
2
5
10
2
5
12
2
37
Baňky doplňte po rysku destilovanou vodou a důkladně promíchejte. Po asi 15 minutách
změřte absorbanci při 520 nm proti destilované vodě. Měření provádějte od baňky č.1 až č.8
a zpět.
Výsledky zapisujte do předem připravené tabulky.
Ze dvou paralelních měření vypočtěte průměr.
Výpočet a zpracování dat
Měření složení komplexní částice zpracujte graficky, určete graficky bod ekvivalence a tím
i stechiometrické složení komplexu.
Kontrolní otázky
1. Se kterými kationty železa vytváří s 2,2´-dipyridilem barevný komplex a jak toho
můžeme využít.
2. Z jakého důvodu se provádí měření absorbance u všech vzorků 2x (případně
vícekrát)?
38