Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО
УФИМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА
МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Уфа 2007
Составитель: А.И. Ильясова
УДК 542 (075.8)
М 35
Методы и приборы контроля окружающей среды: Методические указания по выполнению лабораторных работ / Сост.: А.И. Ильясова. – Уфа: Уфимск. гос. акад. экон. и сервиса, 2007. – 48 с.
В методических указаниях представлены лабораторные работы по спектральным, электрохимическим, хроматографическим методам анализа загрязняющих веществ в объектах окружающей среды.
Методические указания предназначены для студентов специальности 280201.65 Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов и бакалавров по направлению подготовки 280200.62 Защита окружающей среды.
Рецензент: канд. биол. наук, доцент Абдюкова Г.М.
© Ильясова А.И., 2007
© Уфимская государственная академия
экономики и сервиса, 2007
СОДЕРЖАНИЕ
I. Спектроскопические методы анализа.
Фотометрический метод анализа сточных и природных вод 4
Лабораторная работа № 1. Определение железа в природных водах
с сульфосалициловой кислотой 7
Лабораторная работа № 2.
Определение хрома в сточных водах 11
Лабораторная работа № 3. Определение меди в сточных
и природных водах аммиачным методом 14
II. Спектрофотометрия.
Исследование полимеров методом УФ-спектроскопии 17
Лабораторная работа № 4. Определение остаточного мономера
в полимерах, используемых для изготовления контактных линз 20
III. Электрохимические методы анализа.
Ионоселективные электроды и их применение 26
Лабораторная работа № 5.
Опыт 1. Определение рН раствора на иономере ЭВ-74 27
Опыт 2. Определение рН вытяжки из почвы 28
Опыт 3. Ионометрическое определение содержания нитрата
в вытяжке из почвы (или в водном растворе) 28
IV. Хроматографические методы анализа.
Определение ионов тяжелых металлов и фенолов методами
тонкослойной и бумажной хроматографии 31
Распределительная хроматография на бумаге 41
Лабораторная работа № 6.
Определение ионов Fe и Cu природных водах методом ТСХ 43
Лабораторная работа № 7. Разделение железа (III) и меди (II)
с помощью хроматографии на бумаге 44
Список литературы 46
I. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Фотометрический метод анализа сточных и природных вод
Цель работы: ознакомление с фотометрическими методами анализа сточных вод и оценка качества воды в водоемах, после сброса сточных вод гальванических цехов.
Воды, отводимые после использования их в процессе бытовой и производственной деятельности человека, называются сточными.
Сточные воды гальванических цехов образуются в результате протекания технологических процессов нанесения металлических покрытий: никелирования, хромирования, меднения при обработке деталей автомашин, швейных и пишущих машин, различных посудохозяйственных изделий. Гальваническая обработка изделий происходит в технологических ваннах, растворы которых содержат NiSO4, CuSO4, CrO3 – хромовый ангидрид.
Сточные воды гальванических цехов также содержат в своем составе шестивалентный хром (Cr6+) и хромовую кислоту. Сточные воды, содержащие в своем составе хроматы, медь, цинк, никель, ионы тяжелых металлов Cr6+, Cr3+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Ni2+ даже в незначительных количествах угнетающе действуют на живые организмы. Поэтому содержание указанных ионов в сточных водах, сбрасываемых в водоемы или поступающих на биологические очистные сооружения, не должны превышать значения ПДК для соответствующих ионов и подлежат обязательному контролю. Все указанные выше ионы количественно можно определить, используя фотоколориметрический метод анализа.
Сущность фотоколориметрического метода анализа
В фотометрических методах анализа количество вещества определяется по интенсивности окраски или светопоглощению окрашенных соединений. Для этого измеряют поглощение света анализируемым раствором после введения в него реактива, реагирующего с определяемым компонентом сточной воды с образованием окрашенного и интенсивно поглощающего свет соединения.
Зависимость интенсивности монохроматического светового потока, прошедшего через слой окрашенного раствора, от интенсивности падающего потока света, концентрации окрашенного раствора и толщины светового слоя раствора определяется законом Бугера-Ламберта-Бера, который выражается уравнением:
(1)
или
, (2)
где и – интенсивности прошедшего через раствор и первоначального, падающего световых потоков;
– константа, коэффициент светопоглощения, зависит от природы растворенного вещества, температуры, растворителя и длины волны растворителя;
– концентрация раствора;
– толщина поглощающего слоя.
Если выражена в моль/л, а – в см, то называется молярным коэффициентом светопоглощения и обозначается , где – длина волны падающего света, в нанометрах (нм), соответствующая максимальному. поглощению.
Величину называют оптической плотностью () о вещества, тогда:
, (3)
т.е. оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации поглощающего вещества, толщине слоя и молекулярному коэффициенту светопоглощения.
Из уравнения (3) следует, что при = 1 моль/л и = 1 см, = , т.е. молекулярный коэффициент светопоглощения представляет собой оптическую плотность 1 M раствора, помещенного в кювету с толщиной слоя 1 см. Его величина зависит от длины волны падающего света, температуры раствора и природы растворенного вещества и не зависит от толщины поглощающего слоя и концентрации растворенного вещества. отражает индивидуальные свойства окрашенных соединений и является их определяющей характеристикой. Для разных веществ имеет различную величину.
Для определения концентрации ионов (веществ) в окрашенных растворах применяются различные методы (методы сравнения значений исследуемого и окрашенного растворов, метод расчета по среднему значению , метод добавок и т.д.). Наиболее часто при проведении серийных анализов концентрацию вещества определяют при помощи калибровочной кривой, которая является графическим изображением уравнения (3) в координатах (оптическая плотность) – (концентрация) и представляет прямую линию, проходящую через начало координат.
Для построения калибровочной кривой готовят серию стандартных окрашенных растворов, концентрации которых охватывают область возможных изменений концентрации анализируемого раствора. Затем измеряют величины их оптических плотностей () и строят график зависимости оптической плотности от концентрации растворенного вещества в координатах = и получают калибровочную кривую (рис.1).
Определив оптическую плотность анализируемого раствора на приборе, находят ее значение на оси ординат, а затем на оси абсцисс соответствующее значение и вычисляют количество вещества по известным формулам.
Рис.1 Калибровочный график
Отношение называют прозрачностью или пропусканием раствора и обозначают буквой . Обычно выражают в процентах, тогда:
(4)
и являются основными величинами, характеризующими поглощение раствора данного вещества с определенной его концентрацией при определенной длине волны и толщине поглощающего слоя. В этих величинах дается градуировка шкалы фотометрических приборов.
Применяемые в фотометрии приборы состоят из 4-х частей, последовательно расположенных одна за другой: источник света, светофильтр (монохроматор), кювета с раствором, детектор (фотоэлемент, превращающий энергию излучения в электрическую).
Концентрации приборов определяются областью (УФ, видимая, ИК) спектра, в которой проводят измерения. Источником видимого излучения служит обычная электрическая, а УФ-излучения – водородная – лампы.
Обычно для проведения анализа выбирают излучение в той области длины волны, в которой определяемое соединение имеет максимальный, а примеси – минимальное светопоглощение.
Достоинства метода: широкая область применения, высокая чувствительность, селективность, быстрота определения, возможность анализировать смесь веществ без предварительного их разделения.
Недостатки: необходимость калибровки аппаратуры, мерной посуды, тщательное соблюдение условий анализа.
В лабораторных работах, выполняемых студентами, используются однолучевые фотоколориметры марки КФК-2 (колориметр фотоэлектрический концентрационный) с набором кювет различной толщины (от 2 до 50 мм) и светофильтров (монохроматоров). Кюветы выбирают в соответствии с интенсивностью окраски раствора (интенсивно окрашенные растворы фотометрируют в кюветах толщиной слоя до 10 мм, а слабоокрашенные – кюветах с толщиной слоя 20-50 мм).
Лабораторная работа № 1
Определение железа в природных водах с сульфосалициловой кислотой
Цель работы: ознакомление с фотометрическим методом анализа общего железа в природных водах и определение содержания суммы Fe2+, Fe3+ в природных водах.
Сущность метода:
Сульфосалициловая кислота в кислой среде (pH = 1,8-2,5) образует с железом (+3) комплексный катион, окрашенный в сиренево-розовый цвет:
(HO)C6H3 (COOH)(SO3H) + Fe3+ Fe{[C6H3 (OH)(SO3)(COO) ]} + + 2H+
В слабощелочной среде (рН=8-10) образуется комплексный анион желтого цвета Fe{[C6H3 (OH)(SO3)(COO)]3} 3+ как с солями железа (+3), так и с солями железа (+2). Содержание Fe2+ находят по разности.
Мешающие влияния:
Определению мешают медь и алюминий, образующие с сульфосалициловой кислотой цветные комплексы. При наличии в растворе этих компонентов в холостую пробу при определении вводится эквивалентное количество меди и алюминия, какое содержится в пробе.
Воды, окрашенные органическими веществами, рекомендуется окислить добавлениями нескольких капель концентрированной азотной кислоты и пробу прокипятить.
Если проба окрашена неорганическими примесями, то предварительно измеряют величину светопоглощения пробы без добавления сульфосалициловой кислоты и найденную величину вычитают из замера, полученного при колориметрировании пробы с добавлением реактивов.
Необходимые реактивы, аппаратура, посуда:
1. 10 %-й водный раствор сульфосалициловой кислоты.
2. Раствор аммиака в разбавлении 2:3 или 10 %-ный водный раствор.
3. Стандартные растворы железа (для построения калибровочного графика):
а) основной стандартный раствор с концентрацией железа 100 мг/л;
Растворяют 0,8634 г железоаммонийных квасцов [Fe(NH4)(SO4)2·12H2O, х.ч.] в мерной колбе на 100 мл дистиллированной водой, добавляют 10 мл концентрированной серной кислоты, тщательно перемешивают и доводят дистиллированной водой до метки.
б) рабочий стандартный раствор (содержание железа – 10 мг/л);
100 мл основного раствора доводят в мерной колбе на 1 л до метки дистиллированной водой (концентрация железа 0,01 мг/мл). Готовят непосредственно перед употреблением из-за реакции гидролиза.
4. Колбы мерные на 25 и 50 мл.
5. Светофильтр: синий ( = 430-440 нм)
6. Кюветы толщиной 50 или 30 мм.
Порядок выполнения работы
Построение калибровочной кривой: в 9 колб объемом 25 мл вносят 0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,5; 5 мл рабочего стандартного раствора железа и добавляют во все 10 колб 2,5 мл 10 %-й сульфосалициловой кислоты, 5 мл 10 %-го аммиака, перемешивают и объем доводят до метки. Через 5 минут измеряют оптическую плотность в кювете толщиной 50 (или 30) мм с синим ( = 430 нм) светофильтром. В качестве раствора сравнения берут дистиллированную воду, обработанную так же, как пробу. Строят график зависимости от концентрации ионов железа в растворе.
Определение общего содержания железа (Fe2+, Fe3+) в анализируемой воде
В мерные колбы емкостью 25 мл отбирают 10-15 мл анализируемой воды с содержанием железа от 0,1 до 10 мг/л, приливают 2,5 мл 10%-го раствора сульфосалициловой кислоты и 5 мл аммиака, разбавленного 2:3, доводят дистиллированной водой до метки и тщательно перемешивают. Через 5 мин. измеряют интенсивность окраски на фотоколориметре с синим светофильтром ( = 430-440 нм) в кювете толщиной 50 мм. В качестве раствора сравнения берут дистиллированную воду, обработанную так же, как пробу.
Обработка результатов и оформление работы
Цель работы.
Записать сущность метода.
Необходимые реактивы.
Построение калибровочной кривой.
а) записать методику приготовления серии стандартных растворов путем разбавления рабочего стандартного раствора железоаммонийных квасцов;
б) рассчитать концентрацию железа во всех 9 мерных колбах по формуле:
,
где – концентрация железа в i–й мерной колбе (мг);
– объем стандартного рабочего раствора, взятого для приготовления раствора с i-той концентрацией (мл);
0,01 – концентрация железа в рабочем стандартном растворе (мг/мл).
Рассчитанные концентрации и измеренные значения оптических плотностей записать в таблицу 1(оптические плотности измерять не менее 2-3-х раз).
Таблица 1
Зависимость D от концентрации железа (для построения калибровочной кривой)
|
№ колбы |
Объем стандартного рабочего раствора, взятого для приготовления раствора, |
Концентрация железа, |
D1 |
D2 |
D3 |
Dср |
По данным таблицы 1 построить калибровочную кривую, откладывая по оси абсцисс – концентрацию железа, а по оси ординат – соответствующие им значения оптической плотности.
Получить у преподавателя (или лаборанта) образцы анализируемых вод с неизвестной концентрацией железа, приготовить 3 пробы каждого образца, померить их оптические плотности и по калибровочному графику определить содержание общего железа в каждой пробе и данные записать в таблицу 2.
Рассчитать общее содержание железа (Х) в мг/л в пробе по формуле:
,
где С – концентрация железа, найденная по калибровочному графику, мг;
V – объем пробы, взятой для анализа, мл.
Данные записать в таблицу 2.
Таблица 2
Содержание железа в пробе анализируемой воды
|
Анализируемая вода |
Оптическая плотность |
Содержание общего железа |
||||||||
|
С, мг |
Х, мг/л |
|||||||||
|
D1 |
D2 |
D3 |
С1 |
С2 |
С3 |
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Хср |
|
Проанализировать полученные результаты на наличие промаха по Q-критерию.
Рассчитать величину случайной ошибки по коэффициенту Стьюдента для доверительной вероятности Р = 0,95.
По определенному значению концентрации железа в анализируемых водах сделать заключение о ее качестве, возможности ее использования и потребления (сравнить с ПДК железа в водах хзяйственно-питьевого и рыбохозяйственного назначения).
Контрольные вопросы:
В чем заключается сущность колориметрического метода анализа?
Что такое оптическая плотность раствора и от чего она зависит?
Принцип действия фотометрических приборов?
В чем заключается сущность определения содержания железа сульфосалицилатным методом?
Принцип построения калибровочной кривой.
Какова величина ПДК общего железа в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования?
Лабораторная работа № 2
Определение хрома в сточных водах
Сточные воды, содержащие соединения хрома, образуются в технологических процессах кожевенных, химических, гальванических производств. В них хром может встречаться в виде катиона Cr3+ или анионов: CrO42- или Cr2O72- (хромат или бихромат-ионов). Cr6+ в виде хромат-ионов (CrO42-) встречается в щелочных, а в виде бихромат-ионов (Cr2O72-) – в кислых растворах. Хромосодержащие сточные воды (особенно содержащие Cr6+) относятся ко 2 и 3 классу токсичности и обязательно должны контролироваться перед их сбросом в открытые водоемы на соответствие значениям ПДК. ПДК соединений хрома в воде питьевых водоемов в пересчете на Cr6+, составляет 0,1 мг/л, а в водоемах рыбохозяйственного назначения – 0,05 мг/л.
Цель работы: ознакомление с фотоколориметрическим методом анализа хрома (VІ) и хрома (ІІІ) в сточной воде.
Сущность метода:
Хроматы и бихроматы в кислой среде с дифенилкарбазидом образуют красно-фиолетовые комплексные соединения. Это происходит ввиду того, что хром (VІ) окисляет дифенилкарбазид до дифенилкарбазона, который взаимодействует с хромом (ІІІ) с образованием окрашенного комплекса катиона.
Шестивалентный хром определяют непосредственно из фильтрата сточной воды. Общее содержание хрома (VІ) и хрома (ІІІ) определяют после окисления трехвалентного хрома в кислой среде.
Содержание трехвалентного хрома находят по разности результатов определения.
В разбавленной пробе можно определять хром в концентрации от 0,05 до 1,0 мг/л.
Необходимые реактивы, аппаратура, посуда:
1 н раствор щелочи (NaOH или KOH).
2 н раствор серной кислоты.
Фосфорные кислоты (плотность – 1,6 г/см).
0,5 %-й раствор дифенилкарбазида в ацетоне.
0,2 %-й раствор персульфата аммония.
2 %-й раствор нитрата серебра.
Бихромат калия, стандартный раствор для построения калибровочной кривой.
а) запасной стандартный раствор: 0,1414 г K2Cr2O7 растворяют в дистиллированной воде и доводят объем до 250 мл (концентрация раствора – 0,2 мг Cr/мл);
б) рабочий стандартный раствор 1:10 мл раствора (а) разбавляют водой до 100 мл (1 мл раствора содержит 0,002 мг Cr);
8 мерных колб на 25 мл, мерные колбы на 100 мл, пипетки на 1, 2, 5, 10 мл.
Фотоколориметр КФК-2, светофильтр ( = 536-540 нм), кюветы толщиной 20-50 мм.
Порядок выполнения работы
Построение калибровочной кривой: в 8 мерных колб емкостью 25 мл отмеривают 0,25; 0,5; 1,25; 2,5; 3,75; 5,0; 7,5; 10,0 мл рабочего стандартного раствора (б), приливают 0,5 мл 2 н раствора H2SO4 (или 1,0 мл H2SO4 в разбавлении 1:1), 0,3 мл H3PO4 (d = 1,6 г/мл), 0,5 мл 0,5 %-го раствора карбазида, перемешивают и доводят до метки дистиллированной водой, хорошо перемешивают и через 10-15 мин. определяют оптическую плотность растворов с зеленым ( = 540 нм) светофильтром в кюветах толщиной слоя 50 (или 20) мм. В качестве раствора сравнения берут дистиллированную воду, обработанную как пробу, только без добавления стандартного раствора.
Рассчитать концентрацию хрома во всех 8 мерных колбах по формуле:
где – концентрация хрома в i-й мерной колбе (мг);
– объем стандартного рабочего раствора, взятого для приготовления раствора с i-той концентрацией (мл);
0,002 – концентрация хрома в рабочем стандартном растворе (мг/мл).
Рассчитанные концентрации и измеренные значения D занести в таблицу.
Таблица 3
Зависимость D от концентрации Cr(VІ)
|
№ колбы |
, мл |
, мг |
D Оптическая плотность |
По данным таблицы построить калибровочный график в координатах D от . Получить у преподавателя (лаборанта) образец сточной воды с неизвестной концентрацией хрома, приготовить комплекс с дифенилкарбазидом и измерить оптическую плотность.
Определение хрома (VІ)
Проведение анализа
Отбирают объем профильтрованной сточной воды (1,0-50,0 мкг хрома (VІ)), переносят в мерную колбу емкостью 25 мл, нейтрализуют 1 н раствором щелочи (в отельной пробе предварительно проводят нейтрализацию с добавлением фенолфталеина), приливают 0,5 мл 2 н раствора серной кислоты, 0,3 мл фосфорной кислоты (d = 1,6 г/см3), 0,5 %-го раствора дифенилкарбазида, перемешивают, доводят до метки дистиллированной водой и через 10-15 мин. определяют оптическую плотность раствора на фотоколориметре с зеленым светофильтром ( = 540 нм) в кюветах с толщиной слоя 20 мм. В качестве холостой пробы используют дистиллированную воду с добавлением всех реактивов. Содержание хрома (VІ) находят по калибровочному графику.
Определение суммарного содержания хрома (VІ)
В стакан емкостью 250 мл отбирают 50 мл пробы, добавляют 50 мл 0,2 %-го раствора персульфата аммония,0,5 мл 2 н раствора серной кислоты и несколько капель 2 %-го раствора нитрата серебра. Раствор упаривают в течение 20 мин. до объема 5-10 мл, переносят в мерную колбу емкостью 50 мл и доводят объем до метки дистиллированной водой.
Отбирают аликвотную часть 10 мл в мерную колбу емкостью 25 мл, нейтрализуют 1 н раствором едкого натра, добавляют те же реактивы, как и при определении хрома (VІ) и проводят колориметрирование, как указано в предыдущем пункте.
Обработка результатов
Содержание хрома (VІ) в мг/л вычисляют по формуле:
,
где С – концентрация хрома, найденная по калибровочному графику, мг;
V – объем пробы, взятой для анализа, мл.
Общее содержание хрома (VІ) и хрома (ІІІ) в мг/л вычисляют по формуле:
где С – концентрация хрома, найденная по калибровочному графику, мг;
V – объем, до которого разбавлена проба, мл;
V1 – объем аликвотной части раствора, мл.
Данные записать в таблицу.
Таблица 4
Концентрация ионов Cr (ІІІ), (VІ) в сточной воде
|
Наименование иона |
Светофильтр, нм |
D |
Концентрация Cr в сточной воде |
По результатам анализа сделать вывод о качестве сточной воды и возможности ее спуска в водоем.
Контрольные вопросы:
В чем заключается сущность колориметрического метода анализа?
В чем заключается сущность метода определения ионов хрома с дифенилкарбазидом?
Рассчитать содержание Cr (ІІІ) в сточной воде, используя полученные результаты и записать в таблицу 4.
Лабораторная работа № 3
Определение меди в сточных и природных водах аммиачным методом
Цель работы: ознакомление с фотометрическим определением меди в сточных и природных водах аммиачным методом.
Определение содержания Cu2+ в растворах представляет большой практический интерес. Соли меди широко применяются в гальванических ваннах в процессе меднения, их используют как ядохимикаты, микроудобрения в сельском хозяйстве. Поэтому сточные воды после гальванических ванн, а также природные водоемы (озера, реки), куда стекают дождевые и талые воды с сельскохозяйственных полей, могут содержать ионы Cu2+. ПДК ионов Cu2+ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования составляет 1 мг/л.
Сущность метода:
Аммиачный метод основан на образовании ионом Cu2+ с аммиаком комплекса [Cu(NH3)4]2+, окрашенного в интенсивно-синий цвет.
Cu2+ + 4NH3 → [Cu(NH3)4]2+
Окраска его достаточно устойчива, колориметрировать раствор можно с помощью фотоэлектрического колориметра ФЭК-56М или КФК-2.
Необходимые реактивы, аппаратура, посуда:
Фотоколориметр ФЭК-56М или КФК-2.
Кюветы шириной 190 мм.
Красный светофильтр.
Раствор аммиака в разбавлении 1:3.
Стандартный раствор соли меди (сульфата меди) с концентрацией ионов Cu2+ равной 1 мг/мл.
Концентрированная серная кислота (d = 1,84 г/см3).
Мерные колбы на 25, 50, 100 мл, пипетки.
Порядок выполнения работы
Перед определением концентрации меди в растворе необходимо построить градуировочный график, пользуясь специальным растворителем и стандартным раствором соли меди.
Приготовление раствора сравнения для построения градуировочного графика: 10 мл разбавленного (1:3) аммиака переносят в мерную колбу вместимостью 50 мл, добавляют одну каплю концентрированной серной кислоты (пл. 1,84 г/см3) и доводят дистиллированной водой до метки (нулевой раствор).
Приготовление стандартного раствора соли меди: 3,927 г химически чистого сульфата меди CuSO45H2O переносят в мерную колбу вместимостью 1000 мл, растворяют, приливают 5 мл концентрированной серной кислоты (пл. 1,84 г/см3) и доводят водой до метки. В 1 мл этого раствора содержится 1 мг иона Cu2+.
Построение градуировочного графика. В шесть мерных колб вместимостью по 25 мл отмерьте пипетками соответственно 5,0; 4,0; 2,5; 2,0; 1,5; и 1,0 мл стандартного раствора соли меди. В каждую из колб прибавьте по 5 мл разбавленного (1:3) раствора аммиака и доведите объемы дистиллированной водой до метки.
Измерение оптической плотности D начните с раствора, имеющего наибольшую концентрацию меди. Для этого раствор из колбы налейте в кювету с рабочей шириной 10 мм, и измерьте адсорбционность раствора при красном светофильтре.
Измерив D всех растворов и вычислив концентрации растворов меди в колбочках по формуле:
(мг),
где – количество стандартного раствора меди, взятое для разбавления, мл, составьте таблицу:
Таблица 5
|
№ колбы |
, мл |
, мг |
D |
По данным таблицы постройте калибровочный график, отложив по оси абсцисс – концентрации ионов Cu2+ , а по оси ординат – соответствующие им оптические плотности.
Ход определения меди в исследуемой сточной воде или в воде природных водных объектов:
В мерную колбу вместимостью 25 мл возьмите для анализа немного испытуемого раствора, который может содержать от 0,01 до 0,5 мг Cu2+. Прибавьте в колбу 1 каплю концентрированной серной кислоты (пл. 1,84 г/см3), нейтрализуйте разбавленным (1:3) аммиаком, приливая его по каплям до появления мути. Прилейте еще 5 мл аммиака и доведите объем в колбе водой до метки.
Раствор тщательно перемешайте, наполните им кювету с рабочей шириной 10 мм и измерьте обсорбционность его на правом барабане при красном светофильтре, т.е. при тех же условиях, при которых был получен градуировочный график.
Зная D, найдите по градуировочному графику концентрацию иона Cu2+ в мг и вычислите содержание Cu2+ в 1 л по формуле (мг/л):
где С – концентрация меди из калибровочного графика, мг;
V – объем пробы сточной воды, взятой для анализа, мл.
Контрольные вопросы
В чем сущность метода фотоколориметрии?
В чем заключается сущность аммиачного метода определения меди?
Определите содержание меди в исследуемом растворе и сделайте заключение о его качестве.
II. СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ
Исследование полимеров методом УФ-спектроскопии
Теоретическая часть
Ультрафиолетовая (УФ) спектроскопия охватывает коротковолновую область оптического диапазона, с одной стороны примыкает к видимой области спектра, а с другой к рентгеновской. Длины волн УФ и видимых областей принято выражать в нанометрах (нм). Весь УФ спектр делят на ближний с длиной волны 400-300 нм, дальний 300-200 нм и так называемый вакуумный с длиной волны 200-50 нм (при исследовании в области 200 нм применяют специальные вакуумные приборы, т.к. воздух сильно поглощает жесткое УФ-излучение).
В УФ – спектроскопии используют и спектры излучения, и спектры поглощения. При исследовании полимеров используются в основном спектрами поглощения (абсорбционная УФ – спектроскопия).
При воздействии света УФ и видимого диапазонов длин волн происходит возбуждение электронных оболочек молекул вещества, что обусловлено переходом валентных σ- и π-электронов, а также не спаренных (не участвующих непосредственно в образовании связей) электронов из основного состояния в возбужденное с более высокой энергией. Это сопровождается появлением полос поглощения в спектре при длинах волн, соответствующих разности энергии возбужденного и невозбужденного уровней. Каждому электронному уровню молекулы соответствует набор колебательно-вращательных уровней. Так как энергия возбуждения электронных оболочек молекулы значительно больше энергии возбуждения ее колебаний, то переход электронов обычно сопровождается изменением колебательно-вращательного состояния молекулы. Поэтому молекулярно-электронные спектры жидкостей и твердых тел состоят из широких полос.
Для возбуждения валентных электронов, участвующих в образовании разных связей, требуется разная энергия. Наибольшая энергия требуется для возбуждения электронов, участвующих в образовании ординарных связей (σ-связей), наименьшее – для электронов, участвующих в образовании ненасыщенных сопряженных связей. Поэтому большинство насыщенных соединений имеют поглощение в вакуумной области УФ – области (до 200 нм). Возбужденные уровни расположены настолько густо, что поглощение насыщенных соединений сплошное.
Избирательное поглощение в УФ и видимых областях спектра характерно для ненасыщенных соединений. Их поглощение определяется наличием в ненасыщенных связях легко возбудимых π-электронов. Группа атомов, ответственная за избирательное поглощение, называют хромофорами. Простейшими хромофорами являются группы с изолированными кратными связями С = С, С≡С, С = О и др. Они также имеют поглощение в вакуумной УФ – области спектра или на границе рабочего интервала (около 200 нм) обычных спектрофотометров.
Положение полос поглощение хромофоров (максимум поглощения λ макс.) и их интенсивность могут значительно изменяться в зависимости от природы групп атомов, присоединенных в молекуле, содержащей хромофор, и не имеющих собственного поглощения. Такие группы называются ауксохромами. Типичные ауксохромами являются группы ОН, ОСН, NH, N (CH), к ним можно отнести и атомы галогенов. Под влиянием ауксохрома происходит сдвиг полос поглощения в сторону больших (батохромный эффект) или меньших длин волн (гипсохромный эффект). Смещение полос поглощения и увеличение их интенсивности наблюдается также при взаимодействии хромофоров между собой. Так, сопряжение этиленовых связей вызывает батохромное смещение поглощение. Взаимодействие с ауксохромами и эффект сопряжения приводит к тому, что поглощение большинства хромофоров наблюдается в ближней УФ и видимой областях спектра, удобных для спектрального анализа.
Таблица 1
Характеристические полосы поглощения в УФ – спектре
|
Хромофоры |
λмакс., нм |
Интенсивность полос поглощения |
Возбуждение |
|
>С = С< |
175 – 200 |
Сильная полоса |
π-Электронов |
|
>С = О |
180 – 195 270 – 295 |
То же Слабая полоса |
π-Электронов Свободнoй электронной пары кислорода |
|
-О-Н |
185 |
Полоса средней силы |
То же |
|
Н --N< Н |
215 |
То же |
Свободной электронной пары азота |
|
–N = N– |
340 – 370 |
Слабая полоса |
То же |
Как и большинство насыщенных соединений, не содержащих кратных связей, полимеры прозрачны в ближний УФ и видимой областях спектра (полиолефины, полимеры, сополимеры хлор- и фторпроизводных этилена, поливиниловый спирт и др.). Полимеры сложных эфиров акриловых кислот (полиакрилат, полиметакрилат), поливиниловые сложные эфиры (поливинилацетали и т.п.), а также полимерные эфиры карбоновых кислот, содержащие карбонильный хромофор, поглощают на границе УФ-области (около 200 нм). Полимеры, содержащие карбоксильный хромофор или бензольные кольца, поглощают в значительной части УФ-области. Спектры полимеров в УФ-области, как правило, невыразительны и не имеют практического применения для исследования структуры.
Фон спектра полимера обычно не мешает изменению оптической плотности хромофоров добавок, вводимых в полимеры (антиоксидантов, пластификаторов, стабилизаторов), поэтому УФ-спектроскопию применяют для анализа примесей в полимерах. Правильно выбранные аналитическая полоса поглощения и толщина поглощаемого слоя обеспечивает необходимую чувствительность анализа и его точность. Для определения интенсивности аналитической полосы поглощения используют метод базисной линии. При наличии изолированной полосы базисную линию (линия L) проводят как прямую, сливающуюся на краях полосы с фоном поглощения. Однако в спектрах полимеров и других соединений наличие изолированной полосы поглощение является скорее исключением, чем правилом. При наличии двух или более перекрывающихся полос можно провести общую базисную линию (линия L), продолжая (в сторону коротких длин волн) прямолинейный участок спектра за полосой поглощения. В обоих методах оптическая плотность DА данной полосы поглощения А определяется отрезком на перпендикуляре, опущенном на ось абсцисс из максимум полосы, до точки пересечения перпендикуляра с линией L. Для количественного определения оптической плотности по УФ-спектрам пользуются законом Бугера-Ламберта-Бера, из которого следует, что:
C = D/(εl),
где С – концентрация частицы, обуславливающую данную полосу поглощения; D – оптическая плотность; ε – коэффициент поглощения, отнесенный к единице концентрации испытуемого раствора (1 моль); l – толщина слоя.
УФ-спектроскопия позволяет исследовать твердые полимеры (пленки, порошки, таблетки, получаемые из тонкоизмельченной смеси полимера и бромида калия) и их растворы.
При исследовании растворов используют растворители, поглощающие свет в области длин волн менее 200 нм, например предельные углеводороды (гексан, гептан), циклогексан. Можно использовать хлороформ, этилацетон, дихлорэтан, которые поглощают свет в области менее 250 нм, а также воду, спирты и другие соединения, прозрачные для того диапазона УФ-излучения, который обычно используют в аналитических целях. Выбор растворителя ограничивается растворимостью полимеров и также возможностью искажения спектров вследствие реакций комплексообразования и ассоциаций между растворенным веществом и растворителем. Однако прозрачность растворителей в УФ-области спектра позволяет использовать поглощающий слой большой толщины, а это существенно при определении малых количеств примесей и добавок. Простота установления точной концентрации и количественных расчетов на основании закона Бугера-Ламберта-Бера – одно из преимуществ работы с растворами. Преимуществом применения пленок является отсутствие необходимости введения поправок на поглощение растворителя, а также удобство хранения образцов.
Существуют два основных типа приборов УФ-спектроскопических исследований – однолучевой и двулучевой, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Однолучевой прибор, измеряющий оптическую плотность по отдельным точкам, в сочетании с измерительной системой по схеме уравновешенного моста является наилучшим прибором для точных количественных измерений, однако работа на нем трудоемка и долговременна. Двулучевой регистрирующий прибор позволяет получать хорошие спектры для качественного изучения, однако для количественных целей он менее точен, чем однолучевой.
Однолучевые спектрофотометры СФ-26 и СФ-16 предназначены для измерения пропускания и оптической плотности растворов и твердых веществ в диапазоне 186-1100 нм. Однолучевой спектрофотометр СФ-46 со встроенной микропроцессорной системой предназначен для измерения пропускания, оптической плотности жидких и твердых веществ в области 190-1100 нм. Диспергирующим элементом служит дифракционная решетка с переменным шагом и криволинейным штрихом.
Регистрирующие двулучевые спектрофотометры СФ-10, СФ-14, СФ-16 предназначены для измерения пропускания и оптической плотности прозрачных и мутных сред и коэффициентов диффузного отражения твердых и порошкообразных веществ в видимой области спектра (от 400 до 750 нм). Спектрофотометры состоят из осветлителя, двойного призменного монохроматора, фотометра поляризационного типа, приемноусилительной части и записывающего механизма.
Прежде чем приступить к измерениям, необходимо ознакомиться с инструкцией о порядке работы на приборе!
Лабораторная работа № 4
Определение остаточного мономера в полимерах,
используемых для изготовления контактных линз
Редкосшитый полигидроксиэтилметакрилат (ПГЭМА) получают радикальной полимеризацией гидроксиэтилметакрилата в присутствии в качестве сшивающего агента – диметакрилового эфира этиленгликоля (ДМЭГ) и используют для изготовления из них контактных линз ежедневного ношения. Набухший в воде ПГЭМА характеризуется содержанием воды – 38-40 %. ПГЭМА имеет следующую структуру:
CH3 CH3
ДМЭГ │
nCH2 = C ~ (CH2 – C)n ~
│ ДАК │
O = C – OCH2CH2OH O = C – OCH2CH2OH
Сополимер N-винилпирролидона (ВП) с метилметакрилатом (ММА), сшитый ДМЭГ, используется для изготовления линз длительного ношения и характеризуется содержанием 75 % воды после набухания. Сополимер имеет структуру:
nCH2 = CH CH3
│ │ ДМЭГ
N + n CH2 = C ДАК
= O │
O = C – OCH3
CH3
ДМЭГ
~ (CH2 СН CH2 С)n ~
ДАК ׀ ׀
N О = С ОСН3
= O
Кроме содержания воды, полимеры должны удовлетворять еще ряду требований, в том числе, содержанию остаточного мономера в них.
Цель работы: ознакомление с определением содержания остаточного мономера в полимерах методом УФ-спектроскопии: измерить оптические плотности водных вытяжек гидроксиэтилметакрилата (ГЭМА) из поли-ГЭМА и N-винилпирролидона из его сополимера с метилметакрилатом (ММА) и определить в них содержание остаточного ГЭМА и N-винилпирролидона.
Образцы и реактивы: образцы редкосшитых ПГЭМА и сополимера N-винилпирролидона с ММА, дистиллированная вода.
Приборы и принадлежности: Спектрофотометр, аналитические весы, кюветы кварцевые толщиной 1 см, мерные и конические колбы емкостью в 25 и 100 мл, пипетки, часовое стекло, шпатель.
Порядок выполнения работы
Приготовление водных вытяжек мономеров из указанных выше полимеров.
Измерение оптической плотности водных вытяжек мономеров.
Расчет содержания остаточных мономеров в исследованных полимерах.
Методика работы:
1) Приготовление водных вытяжек ГЭМА и N-винилпирролидона из образцов ПГЭМА и сополимеров N-винилпирролидона с ММА.
Взвесить 3 разных образца ПГЭМА и 2 образца сополимера N-винилпирролидона с ММА массой 0,0500 ÷ 0,1500 г на аналитических весах с точностью до 0,0001 г, поместить их в конические колбы емкостью 100 мл и залить 50 мл дистиллированной воды. Образцы выдержать 72 часа при температуре 38-40°С для того, чтобы остаточный мономер из полимера перешел в воду.
2) В кварцевые кюветы налить приготовленные водные вытяжки ГЭМА и N-винилпирролидона, приготовленные по пункту 1. В кювету сравнения налить дистиллированную воду при всех измерениях.
Оптическую плотность водной вытяжки из ПГЭМА измеряют при λ = 208 нм, а из сополимера N-винилпирролидона с ММА – при λ = 236 нм, относительно дистиллированной воды. Если значения оптической плотности D находятся за пределами интервала 0,2 – 1,0, то вытяжки разбавляют в мерной колбе емкостью 25 или 50 мл так, чтобы оптическая плотность находилась в указанном интервале.
3) Содержание остаточного мономера в водных вытяжках из редкосшитого ПГЭМА и сшитого сополимера ВП с ММА рассчитывают по формуле (в % масс):
D · n · V
См = x 100,
Kм · l · Gp
где D – оптическая плотность водной вытяжки мономера;
n – кратность разбавления;
V – объем всей водной вытяжки (мл);
l – толщина кюветы (см);
Gp – навеска полимера (мг);
Kм – коэффициент экстинкци соответствующего мономера.
Значения Kм соответственно равны: KГЭМА = 76,5 мл/мг·см;
KВП = 144,3 мл/мг·см.
4) Оформить результаты опытов и сделать заключение о возможности применения исследованных полимеров для изготовления из них контактных линз, если допустимое количество остаточного мономера в ПГЭМА меньше 0,8 % масс., а в сополимере ВП – ММА – 1,5 % масс.
Подготовка к работе прибора СФ-46
1. Назначение органов управления и индикации
Кнопка СЕТЬ служит для включения и выключения спектрофотометра, расположенная над ней индикаторная лампа сигнализирует о включении спектрофотометра.
Рукоятка 25 предназначена для установки требуемых длин волн, значения которых снимаются по отсчетному устройству 20.
Переключатель 21 служит для выбора щелей, которые необходимо менять по спектральному диапазону. Значения спектральных ширин щелей в нанометрах награвированы на передней панели спектрофотометра.
Рукоятка 40 служит для вывода из светового пучка измеряемого образца.
Рукоятка 49 предназначена для открывания шторки (положение ОТКР) и закрывания ее (положение ЗАКР).
Рукояткой 50 производится компенсация темного тока фотоэлементов, при установке рукоятки 49 в положение ЗАКР.
Рукоятка 41 предназначена для смены фотоэлементов, а рычагом 34 производится переключение источников излучения.
Клавиатура МПС 14 предназначена для управления системой и ручного ввода данных.
Клавиша ПУСК служит для включения МПС, о чем сигнализирует высвечиваемая на табло запятая.
При нажатии клавиш «Ш(0)» и «К(1)» определяются выходные напряжения при неосвещенном фотоэлементе («Ш(0)») и при световом потоке, прошедшем через контрольный образец («К(1)»). Значения выходных напряжений в вольтах высвечиваются на фотометрическом табло.
При нажатии клавиш «τ(2)» или «D(5)» происходит вычисление и высвечивание на фотометрическом табло коэффициентов пропускания или оптической плотности соответственно в процентах пропускания и в единицах оптической плотности.
Клавиша «Ц/Р» служит для перевода МПС из разового режима в цикличный и наоборот, о чем сигнализирует горящий индикатор «Р» (разовый) или «Ц» (цикличный).
При цикличном режиме вычисление и высвечивание измеряемых величин происходит каждые 5 сек. без дополнительного нажатия клавиш.
2. Включение спектрофотометра
2.1. Закрыть фотоэлемент, установив рукоятку 49 переключения шторки в положение ЗАКР и переключателем 21 установить ширину щели 0,15 нм.
2.2. Нажать кнопку СЕТЬ после чего должна загореться индикаторная лампа СЕТЬ, и нажать клавишу ПУСК на клавиатуре МПС, после чего должна высветиться запятая на табло МПС.
2.3. При установке рычага 34 в положение «Н» лампа накаливания загорается сразу после нажатия кнопки СЕТЬ, при установке рычага 34 в положение «Д» дейтериевая лампа загорается автоматически после минутного подогрева.
2.4. Стабильная работа спектрофотометра обеспечивается через 30 минут после его включения.
2.5. Выключение спектрофотометра производить нажатием кнопки СЕТЬ.
II. Порядок работы
1. Подготовка к измерению
1.1. Включить спектрофотометр, как указано в разделе I.
1.2. Установить в держатель от одного до трех исследуемых образцов, в четвертую позицию может быть установлен контрольный образец.
Установить держатель на каретку в кюветном отделении.
1.3. Установить требуемую длину волны, вращая рукоятку длин волн в сторону увеличения длин волн. Если при этом шкала повернется на большую величину, то возвратить ее назад на 5-10 нм и снова подвести к требуемому делению.
1.4. Установить рукояткой 41 и рычагом 34 в рабочее положение фотоэлемент и источник излучения, соответствующее выбранному спектральному диапазону измерения.
1.5. Перед каждым новым измерением, когда неизвестна величина выходного напряжения, следует устанавливать ширину щели 0,15 нм во избежание засвечивания фотоэлементов.
1.6. Снимать показания следует при плотно закрытой крышке кюветного отделения.
Открывать крышку кюветного отделения следует только при установленной в положения ЗАКР рукоятке переключения шторки.
2. Измерение оптической плотности
2.1. Установить рукоятку 49 в положение ЗАКР.
2.2. Нажать клавишу «Ш(0)», при этом на фотоколориметрическом табло высветится значение сигнала в вольтах, пропорциональное значению темнового потока фотоэлемента.
2.3. Установить рукояткой 50 НУЛЬ на фотометрическом табло числовое значение в диапазоне от 0,05 до 0,1. Показания с табло следует снимать, нажимая клавишу «Ш(0)» до появления показания, равного предыдущему или отличающегося от предыдущего не более чем на 0,001. Последнее показание заносится в память МПС и остается там до следующего нажатия клавиши «Ш(0)».
2.4. Установить на пути потока излучения контрольный образец, перемещая каретку рукояткой 40. При отсутствии контрольного образца измерение будет производиться относительно воздуха.
2.5. Установить рукоятку 49 в положение ОТКР.
2.6. Нажимая клавишу «К(1)» рукояткой ЩЕЛЬ установить на фотометрическом табло показания в диапазоне от 0,5 до 5,0.
Наблюдая за миганием запятой на фотометрическом табло (частота мигания – один раз в секунду), отсчитать 10 с и нажать клавишу «К(1)».
Примечание. При нажатии клавиши «К(1)» слева высвечивается индекс «1».
При показании, больше чем 5,0 на табло высвечивается индекс «П».
2.7. Нажать клавишу «D(5)», при этом на фотометрическом табло должно появиться показание 0,000 + 0,001, а слева индекс «5».
Если показание имеет другое значение, необходимо еще раз ввести значение сигнала сравнения, нажав клавишу «К(1)».
2.8. Нажать клавишу «Ц/Р», при этом должно наблюдаться свечение индикатора режима «Ц». Нажать клавишу «D(5)».
Установить поочередно на пути потока излучения измеряемые образцы, перемещая каретку рукояткой 40, и при появлении показания, отличающегося от предыдущего не более чем на 0,001, снять показание с фотометрического табло.
Примечание. В режиме определения оптической плотности образца МПС вычисляют оптическую плотность по формуле:
D = - lg τ
где τ – коэффициент пропускания измеряемого образца.
Контрольные вопросы
III. Электрохимические методы анализа
Ионоселективные электроды и их применение
Цель работы: ознакомление с потенциометрическим методом анализа и определение содержания различных катионов и анионов в объектах окружающей среды с использованием ионоселективных электродов.
Подобно определению величины рН, представляющей собой десятичный логарифм активности иона водорода, взятый с обратным знаком рН = – lg aн, рассчитывают и логарифмы активности других ионов, обозначая их через рХ (р – начальная буква слов Potens или power – показатель). Таким образом, рХ = – lg ax, X - К+, Na+, NH+4, Mg2+ или NO–3, Cl–, F– и др.; ах – активности этих ионов в растворах.
Измеряют рХ при помощи электронных систем с ионоселективными индикаторными электродами.
Ионоселективными (ионообменными) или мембранными называют электроды, на межфазных границах которых происходят ионообменные реакции. Для определения активности иона в растворе рХ используют два электрода, из которых один ионоселективный, а другой – электрод сравнения. Потенциал ионоселективного индикаторного электрода по отношению к электроду сравнения зависит от активности определяемого иона в растворе и описывается уравнением Нернста.
Рис. 1 Схема ячейки с ионоселективными электродами:
1 – ионоселективная мембрана; 2 – ионоселективный электрод;
3 – вольтметр; 4 – вспомогательный (хлорсеребряный) электрод;
5 – электрод сравнения; 6 – жидкостный контакт; 7 – исследуемый раствор
Мембрана ионоселективного электрода (рис. 1) проницаема только для определенного вида ионов. Поэтому при диффузии через нее возникает электродный потенциал, устанавливается электрохимическое равновесие, препятствующее дальнейшему проникновению ионов во внутренний раствор. Но равновесный потенциал ионоселективного электрода зависит от активности определяемого иона в растворе. Поэтому достаточно измерить потенциал ионоселективного электрода (с помощью хлорсеребряного электрода сравнения), чтобы найти активность (рХ) иона в растворе.
В настоящее время промышленность выпускает ионоселективные электроды различного назначения. Среди них различают стеклянные; твердые электроды (с гомогенной или гетерогенной мембраной); жидкостные электроды на основе жидких компонентов, анионитов или хелатов и др.
Используя ионоселективные электроды, определяют активность ионов в растворах – рН, рК, pNa, pNH4, pMg, pNO3, pCl, pF, активности других ионов, а также изучают окислительно-восстановительный потенциал различных сред (почвы, растительного материала и т.п.).
Лабораторная работа № 5
Опыт 1. Определение рН раствора на иономере ЭВ-74
До начала измерения переключатель иономера установите в положение «t» и «-1-19». Включите иономер в сеть и прогрейте его 30 минут.
Слегка приподнимите стаканчик с электродами, отодвиньте столик, промойте электроды дистиллированной водой из промывалки. Остатки воды с электродов удалите фильтровальной бумагой.
Ход определения. Получите у преподавателя испытуемый раствор, налейте его в стаканчик иономера (до половины объема) и погрузите в него электроды.
После этого последовательно нажмите кнопки прибора «Катионы, анионы», «рХ» и «-1-19».
Заметьте положение стрелки на шкале «-1-19» показывающего прибора и нажмите кнопку соответствующего диапазона. Если показание по шкале «-1-19» оказалось между цифрами 8-9, то следует нажать кнопку диапазона 4-9.
Запишите показание стрелки иономера по шкале «0-5» и прибавьте к нему начальную цифру выбранного диапазона. На этом определение величины рН испытуемого раствора закончено.
Электроды до следующего определения оставьте в дистиллированной воде. Выключите иономер из сети.
Опыт 2. Определение рН вытяжки из почвы
Приготовление водной (или солевой) вытяжки из почвы. В агрохимических и почвенных лабораториях определяют как рН водной вытяжки из почвы (актуальную кислотность), так и рН вытяжки на 1 М растворе хлорида калия (обменную кислотность). Но рН водной вытяжки из почвы - величина неустойчивая, меняющаяся в течение вегетационного периода. Поэтому чаще определяют рН солевой вытяжки (KCl-вытяжки) из почвы, значение которого обычно ниже, чем в водной вытяжке из той же почвы. По рН солевой вытяжки из почвы судят о степени ее кислотности и необходимости известкования. Считают, что при рН 3-4 почва сильнокислая, 4-5 кислая, 5-6 слабокислая, 7 нейтральная, 7-8 слабощелочная, 8-9 щелочная, 9-11 сильнощелочная. Почвы с рН солевой вытяжки меньше 4,5 нуждаются в известковании.
Из средней пробы сырой (непросушенной) почвы возьмите навеску 20 г, взвешивайте в фарфоровой чашке на технохимических весах. Перенесите почву в колбу вместимостью 100-150 мл, прилейте 50 мл дистиллированной воды (или 0,1 М раствора хлорида калия), перемешайте содержимое колбы в течение 10 мин и отфильтруйте. Затем отберите пипеткой в стакан 20 мл прозрачной, бесцветной вытяжки для определения рН.
Ход определения рН вытяжки из почвы аналогичен описанному в опыте 1, используют индикаторный стеклянный электрод и хлорсеребряный электрод сравнения.
Опыт 3. Ионометрическое определение содержания нитрата
в вытяжке из почвы (или в водном растворе)
Сначала получают водную вытяжку из почвы, приготовляют серию стандартных растворов нитрата калия для построения градуировочного графика, готовят иономер ЭВ-74 к работе. Находят pNO3 стандартных растворов и строят градуировочный график. Затем измеряют pNO3 почвенной вытяжки и вычисляют содержание нитрат-ионов.
Получение водной вытяжки см. опыт № 2.
Приготовление стандартных растворов нитрата калия. Возьмите у преподавателя 1 М раствор нитрата калия и пять мерных колб вместимостью 100 мл. Занумеруйте колбы. В колбу 1 налейте из бюретки 10 мл исходного раствора, доведите дистиллированной водой до метки и тщательно перемешайте. Полученный стандартный раствор имеет концентрацию нитрата калия 1·10–1 М моль/л.
Затем 10 мл этого раствора перенесите в колбу 2 и также доведите водой до объема 100 мл, т.е. получите стандартный раствор с концентрацией нитрата калия 1· 10–2 моль/л. Продолжайте последовательное разбавление растворов и получите стандартные растворы, имеющие СNO–3 = 1·10–3, 1· 10–4 и 1· 10–5 моль/л.
Подготовка иономера к работе. Электроды для этой лабораторной работы заблаговременно готовит преподаватель.
Новый измерительный NO3 – селективный электрод ЭM-NO3-01 перед измерением вымачивают 24 ч. в 1 10–1 М растворе нитрата калия (при комнатной температуре).
До измерений внутреннюю полость корпуса ионоселективного электрода два раза промывают дистиллированной водой и еще дважды приэлектродным раствором (смесью 0.1 М раствора нитрата калия с 0,005 М раствором хлорида калия). После этого в электрод заливают 1,5 мл того же приэлектродного раствора и ввинчивают хлорсеребряный индикаторный электрод.
Хранят NO3-селективный электрод в 0,01 М растворе нитрата калия.
Приступая к работе, измерительный NO3-селективный электрод подключите в гнездо «Изм.» на задней стенке прибора с помощью штуцера. Вспомогательный хлорсеребряный электрод включите в гнездо «Всп.», температурный компенсатор (в автоматическом режиме) также включается на задней стенке прибора.
Включите прибор в сеть, нажмите клавиши «t» и «-1-19» и дайте иономеру прогреться 20-30 минут.
Калибровка (настройка) NO3-селективного электрода по стандартным растворам. Начинайте измерения с наиболее разбавленного раствора 5, имеющего СNО3 = I 10-5 моль/л. Перенесите пипеткой 20 мл этого раствора в стаканчик для измерений, погрузите в него электроды (промытые водой и высушенные фильтровальной бумагой). Нажмите клавишу «рХ», ручкой «Калибровка» установите стрелку прибора по шкале «-1-19» на значения 5. Затем нажмите клавишу «4-9» и ручкой "Калибровка" установите точное значение pNO3 по шкале «0-5». Отключите прибор, нажав кнопки «t» и «-1-19».
Аналогично найдите рNO3 для растворов 4, 3, 2 и 1, пользуясь сначала шкалой «-1-19», а затем шкалой «0-5». По этим данным постройте на миллиметровой бумаге градуировочный график, откладывая на горизонтальной оси концентрацию нитрата с (NO3) моль/л, а на вертикальной рNО3 для всех пяти растворов.
Определение NО3 почвенной вытяжки. Перенесите пипеткой 20 мл почвенной вытяжки в измерительный стаканчик прибора, опустите в вытяжку электроды (промытые водой и высушенные фильтром). Нажмите клавишу «рХ» и по шкале «-1-19» найдите диапазон значения pNO3. После этого нажмите клавишу нужного диапазона и запишите точное значение pNO3 по шкале «0-5». Иономер отключите, нажав клавишу «t» и «-1-19», электроды опустите в дистиллированную воду.
Зная рNO3 почвенной вытяжки, найдите по градуировочному графику содержание нитрата в ней. Из точки на вертикальной оси, отвечающей среднему значению рNO3 проведите прямую параллельную горизонтальной оси до пересечения с графиком. Из точки пересечения опустите перпендикуляр на горизонтальную ось. Запишите найденную концентрацию нитратов в почвенной вытяжке СNO3 моль/л.
По известной концентрации определите массу нитрата (m) в почвенной вытяжке как произведение концентрации NO3, моль/л на объем всей вытяжки и молярную массу эквивалента нитрат-иона и содержание NO3 в почве в %. Рассчитайте содержание нитрат-иона в почве в мг/кг почвы, сравните с ПДК NO3- в почве.
Сделайте вывод о качестве почвы по ее кислотности и содержанию нитрат-ионов.
Контрольные вопросы
IV. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Определение ионов тяжелых металлов и фенолов
методами тонкослойной и бумажной хроматографии
Цель работы: ознакомление с методами тонкослойной и бумажной хроматографии и их использование для анализа объектов окружающей среды.
1. Теоретическая часть
Тонкослойная (ТСХ) и бумажная (БХ) хроматография основаны на различии скоростей перемещения компонентов анализируемой смеси в плоском тонком слое сорбента при движении по нему растворителя (элюента). Растворитель перемещается по сорбенту под действием капиллярных или гравитационных сил.
В сущности оба метода, ТСХ и БХ, представляют собой процесс разделения в тонком слое сорбента. Разница между ними заключается лишь в способе формирования рабочего слоя. В ТСХ слой сорбента наносят на поддерживающую подложку (пластинку, пленку). В БХ роль рабочего слоя выполняет лист специальной бумаги (для хроматографии). Преимущества ТСХ заключается в том, что при небольших затратах можно быстро и эффективно проводить разделение различных сложных смесей.
Пластинки для хроматографии производится промышленным способом. Методики для самостоятельного приготовления пластинок можно найти в монографиях.
Следует запомнить, что полярные вещества следует разделять в полярных растворителях, малополярные – в менее полярных или неполярных растворителях.
В различных системах растворителей вещества обладают различной подвижностью. Количественно подвижность выражается величиной Rf, иначе называемой фактором удерживания (рис. 1).
Рис. 1. Пластинка ТСХ.
1 – фронт растворителя;
2 – пятна целевого вещества;
3 – стартовая точка;
L – расстояние старт-пятно;
l – расстояние старт – пятно целевого вещества
Rf = l /L – хроматографическая подвижность
Rf равно отношению расстояний от стартовой линии до середины пятна вещества и от стартовой линии до линии фронта растворителя. Значение Rf практически не зависит от длительности проявления, но зависит от множества других факторов (в том числе и от влажности воздуха) и, следовательно, может служить лишь предварительным ориентиром. Большинство химических соединений лишено окраски, и для их обнаружения на пластине используют различные физические и химические методы.
Флуоресценция. Многие ароматические вещества имеют собственную флуоресценцию при 360 нм; при этой длине волны они обнаруживаются в виде желтых флуоресцирующих пятен на темном фоне.
Абсорбция. Большинство готовых ТСХ – пластин содержат люминофоры (такие пластины помечены индексом Ф23Д при облучении УФ – светом с длиной волны 254 нм они светятся равномерным желто – зеленым фоном). Вещества, поглощающие в УФ – области, обнаруживаются в виде темных пятен на светлом фоне.
Химические реакции. Функциональные группы веществ способны вступать в реакции со специфическими реагентами с образованием хромофоров (аминогруппы белков и пептидов проявляются с помощью нингидрина).
1.1. Сорбенты, применяемые в ТСХ.
На ТСХ – пластинках сорбенты закрепляют при помощи органических связующих материалов. Такой слой держится достаточно прочно, на нем можно даже делать пометки мягким карандашом. Результаты разделения хорошо воспроизводятся. Высокое качество пластинок гарантируется лишь при условии правильного хранения (так как слой сорбирует летучие вещества в воздухе). Для большинства экспериментов вполне подходят стандартные пластинки. Пластинки высшего качества (высокоэффективные ТСХ – пластинки или ВЭТСХ – пластинки) используются лишь при количественном анализе. Данные о свойствах наиболее важных сорбентов для ТСХ приведены в табл. 1
Таблица 1– Сорбенты для ТСХ
|
Сорбент |
Область применения |
Примечания |
|
Силикагель |
Разделение неполярных веществ; выделение веществ, обладающих основными свойствами, рекомендуется использовать элюенты с основными свойствами |
Поверхность сорбента сильнополярная; неполярные вещества разделяют методом распределительной хроматографии |
|
Оксид алюминия |
Разделение слабополярных основных веществ |
Поверхность сорбента сильнополярная |
|
Модифицированный силикагель |
Разделение полярных веществ в условиях ОФХ |
Поверхность покрыта химически связанными углеводородными группами. Элюирующие свойства растворителей возрастают в следующем ряду: вода «метанол «ацетон» «формамид» диметилформамид |
|
Полиамид |
Разделение веществ, образующих с амидными группами сорбента водородные связи |
1.2. Аналитическая ТСХ
ТСХ позволяет проводить анализ веществ в пределах 1-10 мкг, а на ВЭТСХ – пластинках – в пределах нескольких нанограмм. Стартовое пятно должно иметь минимальные размеры при оптимальной загрузке, так как при проявлении пластинки пятна размываются вследствие броуновского движения молекул вещества. Если пробу предполагается хроматографировать на силикагели или оксиде алюминия (адсорбционная хроматография), то образец следует растворять в наименее полярном растворителе, например гексане (рис. 2). В этом случае вещество сорбируется на носителе сразу после выхода из капилляра и формирует точечное стартовое пятно. Если образец растворяется в неполярном растворителе не полностью, то плохо растворимые компоненты смеси зарегистрировать не удается и данные о составе смеси не достоверны.
Рис.2. Зависимость формы и размера стартового пятна малополярного вещества от полярности растворителя (сорбент – силикагель или оксид аллюминия):
1 – растворитель – н-гексан; 2 – растворитель – бензол;
3 – растворитель – хлороформ; 4 – растворитель – ацетон
Прежде чем начать проявление, необходимо полностью удалить с пластинки растворитель, в котором наносили пробу. Для этого при анализе термостабильных веществ используют фен или помещают пластинку на короткое время в сушильный шкаф, а при анализе нестабильных веществ пластинку высушивают в вакуум – эксикаторе. Последовательность операций при нанесении пробы показано на рис. 3.
При нанесении пробы рекомендуется:
- наносить минимальный объем (примерно 1 мкл);
- при хроматографии на силикагеле или оксиде алюминия растворять образец в наименее полярном растворителе;
- пробу наносить узким капилляром (внутренний диаметр не более 0,5 мм) или подавать ее небольшими порциями при помощи шприца;
В большинстве случаев вполне достаточно использовать обычные калиброванные капилляры на – 5 мкл.
Рис. 3. Последовательность операций при нанесении пробы
на пластинки для ТСХ:
а) отбор пробы (для каждого образца необходим отдельный капилляр);
б) нанесение в точку;
в) нанесение полосой;
г) высушивание стартовой зоны
1.2.1. Выбор элюирующих систем
В элюотропном ряду растворители располагаются в порядке возрастания элюирующих свойств. При этом соблюдаются следующие закономерности:
- вещество характеризуется большим значением Rf в более полярных растворителях;
- менее полярное вещество характеризуется большим значением Rf; для вещества со сходными свойствами или соединений одного гомологическою ряда Rf возрастает при увеличении числа неполярных групп (-СН2, -СНз), Rf уменьшается при увеличении числа полярных групп или по мере увеличения полярности функциональных групп:
-OR > = CO > -OH > -COOH.
При элюировании в одном растворители редко удается достичь удовлетворительного разделения. Более эффективным являются системы, составленные из двух или более растворителей. Поскольку силикагель обладает сродством к полярным веществам, т.е. избирательно удерживает полярные компоненты (из системы растворителей), в рабочем слое наряду с адсорбцией наблюдается и эффект распределения. По мере продвижения элюирующей смеси по пластине изменяется ее состав, т.е. формируется градиент полярности растворителя, кроме того, при взаимодействии твердой и жидкой фазы в слое происходят очень сложные процессы, однако эти обстоятельства практически не влияют на конечные результаты, и разделение методом ТСХ дает хорошо воспроизводимые результаты.
Вещества с заряженными группами (амины, карбоновые кислоты) не удается разделить на силикагеле и оксиде алюминия, поскольку оба сорбента имеют собственные ионогенные группы (силикагель получают путем осаждения золя кремневой кислоты). Поэтому при составлении систем растворителей руководствуются общими правилами.
На силикагеле (слабокислотный сорбент) разделяют как соединения с кислотными свойствами в очень кислых системах, содержащих кислоты (чаще органические – уксусную, муравьиную); соединения с основными свойствами – в системах, содержащих основания (аммиак). На оксиде алюминия (слабоосновный сорбент) разделяют как соединения с кислотными свойствами в кислых системах, так и основные соединения, поскольку на силикагеле они, как правило, необратимо сорбируются.
1.2.2. Условия проведения эксперимента
Воспроизводимость результатов зависит от условий проявления. Разделение проводят в атмосфере, насыщенной парами элюента (в этом случае стенки камеры обкладывают фильтровальной бумагой, которую незадолго до эксперимента пропитывают растворителем), или в отсутствие паров элюента. В последнем случае значение Rf больше, поскольку на фронте элюента происходит постепенное испарение растворителя за счет теплоты адсорбции. Поэтому процесс проявления занимает больше времени, а величины пробега разделяемых веществ несколько увеличиваются. Этот метод применяется в том случае, когда вещества в камере, насыщенной парами элюента, имеют очень низкие показатели Rf.
1.2.3. Материалы и приборы
Самыми распространенными являются пластинки размером 20x20, 10x20, 5x20 и 5x10 см. Пластинки дня ТСХ выпускаются размером 10x10 и 20x10 см. На пластинках размером 20x10 см разделение проводят в поперечном направлении, они предназначены для одновременного анализа множества проб. Синтетические плёнки со слоем сорбента выпускаются в виде пластинок квадратной формы и в виде рулонов шириной 20 см.
В зависимости от назначения (анализ или препаративное разделение) применяют пластинки со слоями различной толщины. Плёнки для анализа имеют слой толщиной 0.1 и 0,3 мм, плёнки для препаративных целей – 0,5 и 2 мм. Для обнаружения веществ, поглощающих в УФ-области спектра, в состав сорбента включают люминофоры. Для нанесения образцов используют тонкие капилляры (с внутренним диаметром 0,5 мм); микрошприцы объемом 5-10 мкл; дозирующие шприцы с фиксированным объемом; аппликаторы.
Элюирование проводят в камерах. Они просты в изготовлении, дешевы и удобны в работе. Иногда используются сэндвич-камеры, которые представляют собой рабочую и покровную пластинки, отделенные промежуточной рамкой и помещенные в обычную камеру или специальную кювету. Результаты воспроизводятся лучше, чем в обычных камерах. Иногда используются камеры для радиальной хроматографии.
При обнаружении анализируемых веществ используют пульверизаторы.
:1.2.4. Порядок выполнения операций
1. Нанесение пробы и проявление пластинки. Для отбора необходимого объема пробы (1-5 мкл) капилляр погружают в раствор образца, который под действием капиллярных сил заполняет часть капилляра. Избыток раствора отбирают при помощи фильтровальной бумаги; более точно необходимый объем можно отмерить с помощью шприца.
Капилляром осторожно касаются слоя сорбента на стартовой линии, при контакте образуется круглое пятно, диаметр которого не должен превышать 2 мм. Остаток раствора из капилляра отбирают фильтровальной бумагой.
В камеру, выложенную по стенкам фильтровальной бумагой, помещают элюент (высота слоя 1 см) и. покачивая камеру, смачивают листы бумаги. В случае легколетучих растворителей время насыщения составляет 10-15 мин. В камеру помещают пластинку, причем стартовая линия не должна быть погружена в растворитель.
Если растворимость пробы недостаточно высокая, то ее растворяют в большем объеме, разбавленный раствор наносят порциями по 1-2 мкл, высушивая каждый раз стартовое пятно при помощи фена.
По достижении фронтом растворителя высоты 10-15 см пластинку извлекают, отмечают положение фронта и высушивают.
2. Обнаружение. Наряду с ранее упомянутыми физико-химическими методами для обнаружения применяются разнообразные реагенты, образующие с анализируемыми веществами окрашенные продукты. Пластинку равномерно опрыскивают раствором реагента, а потом выдерживают при комнатной или повышенной температуре. Опрыскивание хроматограмм проводят в хорошо вентилируемом шкафу. При этом исключается попадание токсичных или канцерогенных аэрозолей в дыхательные пути или на кожу. При количественном анализе методом ТСХ необходимо обеспечивать равномерное распределение реагента по поверхности пластинки. Для этого готовые пластинки с надежно закрепленным слоем можно погружать в раствор реагента. Часто реакция окрашивания протекает лишь при повышенной температуре. При качественном анализе пластинку нагревают в сушильном шкафу; при количественном анализе нагрев проводят в строго контролируемых условиях, на специальных нагревателях. За изменением окраски следят визуально и по достижении оптимальной интенсивности прекращают нагрев.
3. Идентификация анализируемых веществ. Уже на основании собственной флуоресценции веществ в УФ-свете можно сделать предварительное заключение о классе веществ. Дополнительные сведения о типе функциональных групп получают при обработке пластинки специфическими реагентами. Иногда связующие компоненты уменьшают интенсивность окраски. В этом случае рекомендуется использовать другой тип пластинок.
1.2.5. Количественное определение методом ТСХ
Количественная ТСХ включает в себя два одинаково важных этапа: разделение смеси веществ и их количественное определение. Количественное определение химически чистых веществ в общем достаточно несложно. Смеси предварительно разделяют на составляющие компоненты, причем количественно, или по крайней мере воспроизводимо, и после разделения проводят количественный анализ. В ТСХ эти операции удачным образом совмещаются в едином процессе, поэтому для анализа требуется от нескольких микрограмм до нескольких нанограмм образца. Хроматографию на пластинках проводят в очень мягких условиях, что позволяет анализировать нестойкие вещества, не переносящие длительных манипуляций.
*
Полуколичественный анализ может быть выполнен сравнительно быстро с использованием простых процессов и несложных приборов. Для строгого количественного анализа необходимы дорогостоящие аппликаторы и точная измерительная аппаратура. Для стандартных пластинок объем пробы должен составлять 0,5-2 мкл., для ВЭТСХ-пластинок – не превышать 0,1 мкл.
Количество вещества в одном пятне должно быть минимальным, поскольку при местной перегрузке разрешение снижается. Для стандартных пластинок верхний предел нагрузки на пятно должен составлять 0,5-2 мкл, для ВЭТСХ-пластинок 0,1 мкл.
Расстояние старт-фронт для стандартных пластинок должно составлять 10-15 см, для ВЭТСХ-пластинок – 3-5 см. Превышение указанного расстояния снижает качество разделения, так как выгода oт увеличения числа теоретических тарелок сводится на нет за счет диффузии.
Работу в_ТСХ можно проводить при помощи простейших приемов (рис. 4).
Рис 4. Порядок выполнения операций: 1 – нанесение пробы,
2 – разделение, 3 – вырезание зон, 4 – элюирование, 5 – анализ
Методы ТСХ позволяют анализировать одновременно несколько образцов. Для нанесения пробы необходимо иметь шприцы с регулируемым объемом от 100 нл до 1 мкл. или же располагать аппликаторами. В случае ВЭТСХ-пластинок, при условии воспроизводимого нанесения точных объемов пробы, можно обойтись и без аппликаторов.
1.2.5.1. Полуколичественный анализ
Метод сравнения. Готовят серию стандартных растворов различной концентрации (например 1, 2, 4, 8 ... мг/мл). Наносят их с определенными интервалами на пластинку (по 2 мкл.), в промежутки между ними нанося пробу (раствор определенной концентрации). После проявления хроматограммы сравнивают интенсивность окраски и размеры пятен и на этом основании оценивают концентрацию анализируемого вещества.
Метод определения размеров пятен. Существует зависимость: при одинаковых размерах стартовых пятен (после проведения разделения методом ТСХ): корень квадратный из площади пятна F пропорционален логарифму концентрации вещества в пятне С, то есть √F ~ lg C
На основании этой зависимости строят калибровочную кривую для серии стандартных растворов. На оси абсцисс откладывают значение lg С, на оси ординат значение корня квадратного из площади пятен стандартных растворов.
Рис. 5. Калибровочныи график:
1. корень квадратный из площади пятна анализируемого вещества;
2. lg концентрации анализируемого вещества;
3. опорные точки на калибровочном графике
Определяют площадь пятна анализируемою образца и по калибровочному графику находят количество целевого вещества в пятне. Определение площади пятна целевого вещества проводят следующим образом: после проявления на пластинку помещают лист прозрачной миллиметровой бумаги и определяют площадь пятна в квадратных миллиметрах. Точное значение находят, обводя пятно при помощи планиметра. Погрешность метода составляет 4-10 %. Она может быть уменьшена путём усреднения результатов многократных замеров.
В слое сорбента должны отсутствовать посторонние примеси (обычно пластинки сорбируют примеси из воздуха). Для очистки сорбента пластинку промывают метанолом и собирают примеси, которые проявляются в виде узкой зоны на фронте растворителя (в некоторых случаях промывание повторяют многократно). Затем пластинку высушивают в вакуум эксикаторе и хранят в нем до употребления.
Для экспериментов используют только очищенные растворители (в случае необходимости растворитель пропускают через оксид алюминия).
При нанесении пробы не следует повреждать слой сорбента (повреждение слоя приводит к деформации пятен); необходимо следить за тем, чтобы размеры пятен были одинаковыми.
При обнаружении с помощью химических методов необходимо равномерно наносить реагент (лучше всего погружать пластинку в раствор реагента).
1.3. Распределительная хроматография на бумаге
Для хроматографии на бумаге носителем неподвижного растворителя служит очищенная от примесей фильтровальная бумага. Каплю водного раствора анализируемого вещества (например, смеси катионов Fe3+, Cu2+, Co2+, Mn2+ и Ni2+) наносят пипеткой на бумажную полоску на расстоянии 1-2 см от ее конца. Подвешивают бумагу в закрывающейся стеклянной камере, иногда в эксикаторе или даже просто в пробирке (рис. 6). При этом конец бумажной полоски с нанесенным анализируемым веществом погружают в растворитель (например, в бутанол или в смесь ацетона с хлороводородной кислотой). Подвижный растворитель, перемещаясь вверх по бумаге, постепенно смачивает ее (восходящая хроматография). Одновременно в том же направлении, но с различными скоростями, передвигаются компоненты смеси. По прошествии времени, достаточного для разделения ионов, бумагу высушивают и опрыскивают (из пульверизатора) реактивами, образующими с разделяемыми ионами окрашенные соединения. Например, ионы Fe3+ и Сu2+ дают окрашенные пятна с гексацианоферратом калия (П) K4[Fe(CN)6], ионы Со2+ и Ni2+ – с рубеановодородной кислотой, ион Мn2+ – с раствором нитрата серебра. Таким образом, на бумаге выявляются зоны локализации ионов в виде цветных пятен. Все вместе они составляют хроматограмму ионов на бумаге (рис. 7), позволяющую судить о составе смеси. Зону Са2+ обычно выявляют на хроматограмме действием ализарина, а зоны Sr2+ и Ва2+ – действием родизоната калия.
Для количественного анализа хроматографирование повторяют в перпендикулярном направлении и получают окрашенные пятна.
Вместо полосок бумаги можно взять круглые бумажные фильтры и тогда получают так называемые круговые хроматограммы. В этом случае каплю анализируемого раствора наносят микропипеткой в центр фильтра (отмечают положение первоначального пятна), высушивают фильтр, вырезают и отгибают так называемый «фитиль» (длиной 40 мм и шириной 4 мм), который опускают в подвижный растворитель (рис. 8). Камерой для получения круговых хроматограмм служат эксикаторы, или чашки Петри. На фильтре получаются круговые зоны локализации ионов, по ширине которых иногда удается приблизительно судить о количестве ионов, например катиона меди (чувствительность метода 5 мкг меди).
Существуют и другие способы количественного определения веществ на бумажных хроматограммах: визуальное сравнение пятен, измерение площади или интенсивности окраски пятна, вымывание компонента из бумаги.
Распределительная хроматография на бумаге в сочетании с применением органических реактивов является микроаналитическим методом, очень полезным для биохимических исследований. Она широко применяется в том случае, когда обычные химические методы малопригодны, например, для разделения близких по свойствам соединений: аминокислот, пептидов, нуклеиновых кислот, углеводов. Хроматографию на бумаге используют для определения следов хлорорганических, фосфорорганических и других пестицидов в пищевых продуктах и в биологическом материале.
Рис. 6. Камера для хроматографии на бумаге:
1 – полоска фильтровальной бумаги;
2 – капля исследуемого раствора,
3 – растворитель
Рис. 7. Хроматограммы неорганических ионов
на бумаге
Рис. 8. Бумага для круговой хроматографии:
1 – круглый фильтр, 2 – фитиль, погружаемый в растворитель; А – место нанесения анализируемого раствора
2. Экспериментальная часть
2.1. Лабораторная работа № 6.
Определение ионов Fe и Cu природных водах методом ТСХ
Цель работы: Ознакомление с методами отбора пробы из водоемов, пробоподготовки и определения ионов Fe и Cu методом ТСХ.
Необходимые реактивы, аппаратура, посуда:
Пробы воды из водоема.
Азотная кислота в разбавлении (1:3).
Соляная кислота – 50 % раствор.
Растворитель: бутанол – уксусная кислота – вода (4:1:1).
10 % раствор желтой кровяной соли.
Пробы свидетелей , приготовленные растворением из чистых металлов Сu и Fe в смеси соляной и азотной кислот (10:1) при нагревании до полного растворения и разбавленная до концентрации 0,5 мкг/ мкл.
Чистые бутылки для отбора проб воды емкостью 0,5 л – 3 штуки.
Фарфоровые чашки.
9. Газовая горелка, спиртовка или плитка.
10. Прибор для ТСХ.
.Кристаллизаторы.
.Пульверизатор.
13. Капилляры, пипетки, мерные цилиндры.
14. Силуфоловые пластинки или стеклянные пластинки с незакрепленным слоем силикагеля.
Отбор проб воды. Пробы отбираются таким образом, чтобы они характеризовали средний состав загрязненной воды. При проведении анализа в районе слива воды отбирают три пробы: одну с поверхности, вторую с центра потока, третью со дна водоема.
Пробоподготовка. Взятую для анализа воду (0,5 л) подкислить разбавленной (1:3) азотной кислотой и упарить досуха в фарфоровой чашке (постепенно доливая воду при ее упаривании). Затем осадок растворить и довести до объема 10 мл 50 % соляной кислотой. Проявление. Нанести на стартовую линию силуфоловой пластинки пробы анализируемой воды, пробы свидетелей в количестве (0,5 - 1 мкл) и проявить хроматограмму системой растворителей: бутанол – уксусная кислота – вода(4:1:1), для чего опустить пластину в хроматографическую камеру, содержащую проявитель так, чтобы он касался нижнего края пластины ,но был ниже стартовой линии. Стенки хроматографической камеры можно обложить фильтровальной бумагой, смоченной проявителем, для ускорения процесса проявления. В отсутствии хроматографической камеры, пластины поместить в стакан, содержащий проявитель с высотой ниже уровня стартовой линии, стакан закрыть стеклянной пластинкой, поместить в эксикатор и плотно закрыть крышку эксикатора. Проявление необходимо проводить в течении времени, необходимого для продвижения фронта растворителя на высоту 10-15 см.
Пластину после окончания проявления вынуть из хроматографической ячейки (эксикатора) и обнаружить ионы Сu и Fe опрыскиванием из пульверизатора 10 % раствором гексацианоферрата калия (желтой кровяной соли). Появляется синее окрашивание для иона Fe в результате образования берлинской лазури и коричневое – для иона Сu в результате образования гексацианоферрата меди.
Зарисовать хроматограммы, вычислить хроматографичеcкую подвижность (Rf) ионов Fe и Сu, определить площадь пятен в анализируемых пробах и пробах свидетелей и провести полуколичественный анализ содержание ионов Fe и Сu в исследуемых пробах. Записать уравнения реакций, протекающих при обнаружении ионов Fe и Сu. Сделать выводы о преимуществах, достоинствах, недостатках ТСХ. Сравнить полученные значения концентрации ионов Fe и Сu с их ПДК и сделать заключение о качестве воды в исследуемых водоемах. *-
2.2. Лабораторная работа № 7.
Разделение железа (III) и меди (II) с помощью хроматографии на бумаге
Цель работы: ознакомление с методами хроматографии на бумаге.
Хроматография на бумаге – разновидность метода распределительной хроматографии. Носителем для неподвижного растворителя служит при этом фильтровальная бумага, а не колонка с сорбентом. Разделение смесей веществ или ионов с помощью хроматографии на бумаге основано на различной скорости движения компонентов, которую характеризуют коэффициентом движения Rf. Коэффициенты движения ионов вычисляют по формуле:
Rf = v/v’ = h/h,' (1)
где v – скорость движения зоны иона на бумаге;
v ' – скорость движения фронта подвижного растворителя;
h – расстояние, пройденное зоной иона на бумаге;
h’ – расстояние, пройденное растворителем.
Под фронтом растворителя понимают видимую границу распространения растворителя на бумаге.
Коэффициент движения каждого катиона – постоянная величина, не зависящая от концентрации анализируемого раствора, температура, присутствия других катионов и природы аниона, с которым связан изучаемый катион. Однако величина Rf зависит от состава и свойств используемого подвижного растворителя, а также от сорта хроматотрафической бумаги. Чем больше эта величина, тем быстрее и дальше продвигается катион по бумаге и тем лучше отделяется он от другого катиона с низким коэффициентом движения.
У катионов Fe и Сu коэффициенты движения значительно отличаются по величине. Поэтому удается четкое разделение их на бумаге. Особенно просто и удобно разделение ионов с помощью круговых хроматограмм. Хромато-графическими камерами при этом служат эксикаторы.
Ход определения. Возьмите круглый обеззоленный фильтр «синяя лента» диаметром 12,5 см. Простым карандашом начертите на нем «фитиль» длиной 40 мм и шириной 4 мм. На центр фильтра нанесите микропипеткой 0,05 мл раствора, содержащего катионы Fe и Сu (в количестве 20 - 50 мкг каждого). Раствор не выливайте на фильтр, а постепенно выпускайте его из пипетки, чтобы впитывание происходило за счет капиллярных сил бумаги. Образовавшееся первоначальное пятно осторожно обведите простым карандашом, т.е. фиксируйте его положение на бумаге. Дайте фильтру высохнуть и вырежьте бритвой «фитиль».
Затем откройте эксикатор (т.е. хроматографическую камеру), поставьте в него кристаллизатор и тигель с 10 мл растворителя. Положите фильтр сверху на кристаллизатор, следя при этом, чтобы «фитиль» был погружен в растворитель. В качестве растворителя используйте смесь с массовыми долями этанола 90 % и 5 М НС1 10 % (по объему); кислоту добавляют к органическому растворителю, чтобы предотвратить адсорбцию ионов бумагой.
Закройте эксикатор крышкой и оставьте на три-четыре часа для размывания первичной хроматограммы растворителя. После этого достаньте фильтр из эксикатора, отметьте карандашом границы фронта растворителя и дайте растворителю испариться.
Для проявления зон локализации ионов Fe3+ и Сu2+ опрысните филыр раствором с массовой долей K4[Fe(CN)6] 10 % из стеклянного пульверизатора (металлический не пригоден!). В результате на хроматограмме проявляется синяя кольцевая зона Fe4[Fe(CN)6]3 и коричневая кольцевая зона Cu2[Fe(CN)6].
По ширине зоны локализации катиона иногда удается судить о концентрации его в исследуемом растворе.
Вычислите по формуле (1) коэффициенты движения Rf для катионов Fe и Cu. Началом пути обоих катионов считайте наружную границу первоначального пятна (отмеченную карандашом), а концом пути – наружные границы образовавшихся после проявления кольцевых зон ионов. Расстояние, пройденное фронтом растворителя, считайте от центра хроматограммы, т.е. от центра фильтра.
Сделайте заключение о достоинствах и недостатках бумажной хроматографии в сравнении с ТСХ.
Контрольные вопросы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература:
Основы аналитической химии: Часть 2 / Под ред. Золотова Ю.А. – М.: Высшая школа, 2007. – 495 с.
Васильев В.П. Аналитическая химия. Лабораторный практикум: Учебное пособие для вузов / В.П. Васильев, Р.П. Морозова, Л.А. Кочергина. – М.: Дрофа, 2006. – 414с.
Васильев В.П. Аналитическая химия. Книга 2. Физико-химические методы анализа / В.П. Васильев. – М.: Дрофа, 2002. – 384 с.
Васильев В.П. Аналитическая химия. Сборник вопросов, упражнений и задач / В.П. Васильев, Л.А. Кочергина, Т.Д. Орлова. – М.: Дрофа, 2003. – 320 с.
Основы аналитической химии. Практическое руководство: Учеб. пособие для вузов / В.И. Фадеева, Т.Н. Шеховцова, В.М. Иванов и др. – М.: Высшая школа, 2001. – 463 с.
Отто М. Современные методы аналитической химии / М. Отто. – 2-е изд., исправлен. – М.: Техносфера, 2006. – 416 с.
Васильев В.П. Аналитическая химия: Часть 2 / В.П. Васильев. – М.: Высшая школа, 1989. – 384 с.
Дополнительная литература:
Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны: Справочное издание / С.М. Муравьева и др. – М.: Химия, 1991. – 368 с.
Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды / Ю.А. Израэль. – М.: гидрометеоиздат, 1984. – 560 с.
Майстренко В.Н. Эколого-аналитический мониторинг суперэкотоксикантов / В.Н. Майстренко, Р.З. Хамитов, Г.К. Будников. – М.: Химия, 1996. – 319 с.
Руководство по контролю загрязнения атмосферы РД 52.04.186-89. – М.: 1991. – 693 с.
Хмельницкий Р.А. Масс-спектрометрия загрязнений окружающей среды / Р.А. Хмельницкий, Е.С. Бродский. – М.: Химия, 1990. – 184 с.
Составитель: ИЛЬЯСОВА Асия Иргалиевна
МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Технический редактор: А.Ю. Кунафина
Подписано в печать 25.10.07. Формат 60×84 1/16.
Бумага газетная. Гарнитура «Таймс».
Усл. печ. л. 2,73. Уч.-изд. л. 3,25. Тираж 100 экз.
Цена свободная. Заказ № 193.
Отпечатано с готовых авторских оригиналов
на ризографе в издательском отделе
Уфимской государственной академии экономики и сервиса
450078, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145; тел. (347) 278-69-85.