Analizna kemija II in industrijska analiza Navodila za vaje Avtorja Maša Islamčević Razboršek Mitja Kolar Oktober 2023 Naslov Analizna kemija II in industrijska analiza Title Analytical Chemistry II and Industrial Analysis Podnaslov Navodila za vaje Subtitle Exercise Instructions Avtorja Maša Islamčević Razboršek Authors (Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo) Mitja Kolar (Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo) Recenzija Drago Kočar Review (Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo) Tehnični urednik Jan Perša Technical editor (Univerza v Mariboru, Univerzitetna založba) Oblikovanje ovitka Jan Perša Cover designer (Univerza v Mariboru, Univerzitetna založba) Grafike na ovitku Cover graphics Fotografije: Maša Islamčević Razboršek, 2023 Grafične priloge Graphic material Islamčević Razboršek, Kolar, 2023 Založnik Univerza v Mariboru Published by Univerzitetna založba Slomškov trg 15, 2000 Maribor, Slovenija https://press.um.si, zalozba@um.si Izdajatelj Univerza v Mariboru Issued by Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Smetanova ulica 17, 2000 Maribor, Slovenija https://www.fkkt.um.si, fkkt@um.si Izdaja Edition Prva izdaja Izdano Published at Maribor, oktober 2023 Vrsta publikacije Publication type E-knjiga Dostopno na Available at https://press.um.si/index.php/ump/catalog/book/817 © Univerza v Mariboru, Univerzitetna založba CIP - Kataložni zapis o publikaciji / University of Maribor, University Press Univerzitetna knjižnica Maribor Besedilo / Text © Islamčević Razboršek, Kolar, 2023 66.02(075.8)(076.5)(0.034.2) To delo je objavljeno pod licenco Creative Commons Priznanje avtorstva-ISLAMČEVIĆ Razboršek, Maša Nekomercialno-Brez predelav 4.0 Mednarodna. / This work is licensed under the Analizna kemija II in industrijska analiza Creative Commons At ribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 International License. [Elektronski vir] : navodila za vaje / avtorja Maša Islamčević Razboršek, Mitja Kolar. - 1. izd. Uporabnikom je dovoljeno reproduciranje brez predelave avtorskega dela, - E-učno gradivo. - Maribor : Univerza v Mariboru, distribuiranje, dajanje v najem in priobčitev javnosti samega izvirnega avtorskega Univerzitetna založba, 2023 dela, in sicer pod pogojem, da navedejo avtorja in da ne gre za komercialno uporabo. Način dostopa (URL): https://press.um.si/index.php/ump/catalog/book/817 Vsa gradiva tretjih oseb v tej knjigi so objavljena pod licenco Creative Commons, ISBN 978-961-286-789-8 (PDF) razen če to ni navedeno drugače. Če želite ponovno uporabiti gradivo tretjih oseb, ki ni zajeto v licenci Creative Commons, boste morali pridobiti dovoljenje doi: 10.18690/um.fkkt.4.2023 neposredno od imetnika avtorskih pravic. COBISS.SI-ID 165773059 https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ISBN 978-961-286-789-8 (pdf) DOI https://doi.org/10.18690/um.fkkt.4.2023 Cena prof. dr. Zdravko Kačič, Price Brezplačni izvod Odgovorna oseba založnika For publisher rektor Univerze v Mariboru Citiranje Islamčević Razboršek, M., Kolar, M. (2023). Analizna kemija II in industrijska analiza: navodila za vaje. Univerza v Attribution Mariboru, Univerzitetna založba. doi: 10.18690/um.fkkt.4.2023 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE M. Islamčević Razboršek, M. Kolar Kazalo Namesto uvoda ................................................................................................................................. 1 1. vaja: Potenciometrična titracija H3PO4 z NaOH ............................................................................ 9 2. vaja: Potenciometrično določanje koncentracije Br- ionov ............................................................. 19 3. vaja: Konduktometrične titracije ..................................................................................................26 4. vaja: Elektrogravimetrija .............................................................................................................32 5. vaja: Spektrofotometrična določitev železa ...................................................................................36 6. vaja: Atomska absorpcijska spektroskopija (AAS) .........................................................................42 7. vaja: Atomska emisijska spektroskopija (AES) ..............................................................................48 8. vaja: Spektroskopska določitev zmesi benzena in toluena ..............................................................53 9. vaja: Ionska kromatografija .........................................................................................................60 10. vaja: Plinska kromatografija .......................................................................................................67 Viri ...................................................................................................................................... 81 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE M. Islamčević Razboršek, M. Kolar Namesto uvoda Navodila za vaje Analizna kemija II so študijsko gradivo za opravljanje laboratorijskih vaj pri predmetih Analizna kemija II, Industrijska analiza in Instrumentalna analiza, študijskih programov prve stopnje na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru. Vsebujejo napotke za eksperimentalno delo, krajše teoretske osnove, skice instrumentov, izpeljave nekaterih izračunov in kemijske reakcije. Navodilom so dodana: splošna navodila in navodila za varno delo v laboratoriju, pregled simbolov nevarnih snovi, napotki za prvo pomoč, inventarni list in izbrani viri s področja Analizne kemije. Navedeni viri omogočajo študentom celovit pregled in podroben študij širokega področja analizne kemije. 2 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Pred pričetkom dela se seznanimo z navodili za varno laboratorijsko delo, simboli za nevarne snovi in prevzamemo laboratorijski inventar! Osnovna navodila za varno delo v Laboratoriju za analizno kemijo in industrijsko analizo − V laboratoriju vzdržujemo čistočo, red in mir. − V laboratoriju ne uživamo hrane in pijače. − V laboratoriju ne uporabljamo prenosnih telefonov. − Študenti smejo v laboratoriju izvajati samo predpisane postopke v skladu s pisnimi navodili za izvajanje posameznih vaj. − Pred pričetkom praktičnega izvajanja posamezne vaje študenti počakajo na dovoljenje asistenta in lahko pričnejo z izvajanjem šele, ko jim asistent po predhodnem dogovoru to dovoli. − Pri delu v laboratoriju vedno nosimo zaščitno haljo (plašč). − Pri delu v laboratoriju obvezno uporabljamo zaščitna očala s stransko zaščito. − Dolge lase povežemo v čop. − Pred pričetkom eksperimentalnega dela se seznanimo z lastnostmi spojin, ki jih bomo uporabljali (strupenost, vnetljivost, ekspolzivnost itd.). Upoštevamo simbole za nevarne snovi. − Pri delu z jedkimi ali strupenimi snovmi ter vročimi ali hladnimi predmeti smo posebej previdni in uporabljamo ustrezne dodatne zaščitne rokavice. − Kadar prenašamo jedke, strupene ali vroče snovi, poskrbimo za preventivno zaščito osebja in okolja. − V laboratoriju se ne dotikamo vročih delov naprav in instrumentov, vse dokler se ne ohladijo. − Steklovino, ki jo pobiramo iz sušilnikov, gorilnikov in /ali žarilnih peči, vedno previdno prijemamo z zaščitnimi kleščami in s posebnimi negorljivimi zaščitnimi rokavicami. − Pri delu z nevarnimi hlapnimi ali praškastimi snovmi zaščitimo dihalne organe (nos in usta) s primerno zaščitno masko. − Hlapne, jedke, potencialno eksplozivne in zdravju škodljive snovi vedno hranimo in odmerjamo izključno v digestoriju. − Vse raztopine pipetiramo le z nastavkom za pipetiranje. Namesto uvoda 3. − Odvečnih količin reagentov nikoli ne vračamo v originalno posodo, iz katere smo jih odvzeli. − Odpadnih kemikalij in drugih spojin ne izlivamo v komunalne odtoke (pomivalna korita) ali jih odlagamo skupaj s komunalnimi odpadki, ampak jih zbiramo v posebnih zbiralnih posodah (navodila tehničnega sodelavca in asistenta). − Električne naprave uporabljamo v skladu z navodili. Po uporabi jih postavimo v osnovno stanje ali izključimo iz omrežja. Še posebej je potrebno paziti, da pri delu z raztopinami električni priključki ne pridejo v kontakt z njimi. − Naprav, ki niso brezhibne, ni dovoljeno uporabljati! Pred pričetkom vaj asistent ali tehnični sodelavec pregledata in preizkusita delovanje vseh naprav in instrumentov. − Popravila naprav sme izključno izvajati le za to usposobljena oseba, pri čemer je pred pričetkom popravil potrebno naprave izključiti iz omrežja! − Pri uporabi zemeljskega plina upoštevamo navodila za varno delo s plinsko instalacijo. − Plinske (Bunsenove) gorilnike prižigamo postopoma: najprej osnovni plamen, nato glavni plamen, nazadnje uravnamo dotok zraka. Laboratorijske prostore primerno zračimo. Po končanem delu izključimo plinsko instalacijo in elektromagnetno varnostno stikalo. − Pri uporabi plinov v jeklenkah pred uporabo preverimo tesnenje celotnega sistema in delovanje reducirnih ventilov. − Pri delu in uporabi eksplozivnih plinov v jeklenkah (H2, C2H2), sta obvezno prisotna asistent ali tehnični sodelavec. − Če pride v laboratoriju do nesreče, takoj nudimo prvo pomoč, če smo za to usposobljeni prav tako nesrečo takoj sporočimo asistentu - vodji laboratorijskih vaj in tehničnemu osebju! − Po končanem delu je potrebno pospraviti vse kemikalije v ustrezno in primerno embalažo ter vse naprave izključiti iz omrežja in zapreti dotok vode in plinov! − Po končanem delu pospravimo in očistimo delovno mesto ter si temeljito speremo roke. 4 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Specifična navodila za varno delo v Laboratoriju za analizno kemijo in industrijsko analizo 1. NEVARNOSTI V Laboratoriju za analizno kemijo in industrijsko analizo so naslednji izvori nevarnosti: − delo z električnimi napravami, − delo s topili, jedkimi, hlapnimi in eksplozivnimi spojinami, − stik z vročo vodo in vročimi ter hladnimi površinami, − delo s plini v jeklenkah. 2. NAVODILA ZA VARNO DELO V Laboratoriju za analizno kemijo in industrijsko analizo morajo študenti: − dosledno upoštevati navodila za varno delo v laboratoriju, − obvezno uporabljati zaščitna sredstva (očala, halja, rokavice, nastavek za pipetiranje, krpa), − ustrezno ravnati s kemikalijami in instrumenti. V primeru kakršnekoli nezgode ali nesreče v laboratoriju morajo študenti o tem TAKOJ obvestiti asistenta - vodjo laboratorijskih vaj in tehnično osebje! Namesto uvoda 5. Navodila za prvo pomoč POŠKODBE OČI DRUGE POŠKODBE Z Z JEDKIMI SNOVMI JEDKIMI SNOVMI − Oko spiraj 10 do15 minut z − Obleko, namočeno z jedkimi blagim curkom vode z snovmi, takoj odstrani, izpiralko za spiranje oči, − poškodovane dele izpiraj 15 − tujkov ne odstranjuj, minut s tekočo vodo, − poškodovano oko prekrij s − na rane ne dodajaj mazil, sterilno gazo. praškov, ampak jo prekrij s sterilno gazo, − pri poškodbi ustne votline, požiralnika, želodca s kislino ali bazo pij veliko tekočine. OPEKLINE IN POŠKODBE RANE, ODRGNINE, S PARO VREZNINE, KRVAVITV − Gorečo obleko pogasi z vodo − Poškodovano površino očisti z ali z ovijanjem odeje za aseptično tekočino, prekrij s gašenje, sterilno gazo in poveži s sterilnim povojem, − obleko na mestu opekline odstrani in prekrij s sterilno − krvavitve poskušaj zaustaviti s gazo. kompresijskim zavojem. 6 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Simboli za nevarnost na embalaži nevarnih snovi AKUTNA STRUPENOST / ZELO STRUPENO (SMRTNO) ZDRAVJU ŠKODLJIVO, DRAŽLJIVO JEDKO RAZLIČNI ŠKODLJIVI VLIVI NA ZDRAVJE NEVARNO ZA OKOLJE EKSPLOZIVNO VNETLJIVO OKSIDATIVNO Laboratorijski inventar in izjava študenta Ime in priimek študenta: Vpisna številka: Laboratorij / delovno mesto: Laboratorijski inventar sem prejel dne: Laboratorijski inventar sem oddal dne: Zaporedna št. Število Vrsta steklovine Opombe 1 3 Posode za hranjenje reagentov 1000 mL 2 1 PVC puhalka 500 mL 3 3 Erlenmajerica 300 mL 4 10 Merilne bučke 100 mL 5 1 Merilni valj 100 mL 6 1 Bireta 50 mL 7 1 Prižema in stojalo za bireto 8 2 Pipete 20 mL (merilne), pipete 20 mL (polnilne) 9 3 Pipete 10 mL (polnilne) 10 3 Pipete 5 mL (polnilne) 11 2 Pipete 1 mL (polnilne) 12 1 Lijak navadni 13 2 Lijak za filtriranje 14 2 Čaši 400 mL 15 2 Čaši 250 mL 16 3 Urna stekla 17 2 Stekleni palčki 18 2 Pt elektrodi 19 1 Kombinirana steklena elektroda 20 2 Konduktometrijski celici Drugo: Izjava študenta: S podpisom izjavljam, da sem bil pred pričetkom eksperimentalnega dela seznanjen z vsemi navodili za varno delo in z varnostnimi ukrepi v primeru nesreče v kemijskem laboratoriju. V Mariboru, dne Podpis študenta 8 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Navodila za opravljanje vaj Analizna kemija II 1. Udeležba na vajah je obvezna! Izostanke zaradi bolezni študent nadomesti po dogovoru z asistentom v posebnih terminih. Za izostanek mora študent predložiti zdravniško opravičilo. 2. Na vaje mora študent prihajati pripravljen in seznanjen s teoretskimi osnovami, v nasprotnem primeru mu lahko asistent prepove opravljanje eksperimentalnega dela. 3. Pred pričetkom prve vaje študent pregleda in prevzame laboratorijski inventar in ga po končanih vajah preda tehničnemu sodelavcu. 4. Pred eksperimentalnim delom se študent seznani z navodili za varno delo v kemijskem laboratoriju. S pisno izjavo potrdi, da je seznanjen z navodili ter da jih bo pri opravljanju eksperimentalega dela dosledno upošteval. 5. Za opravljanje laboratorijskega dela študent potrebuje: zaščitno haljo, zaščitna očala s stransko zaščito, nastavek za pipetiranje, krpo, milimetrski papir, laboratorijski dnevnik in skripta. 6. Laboratorijski dnevnik (zvezek formata A4 z imenom, pri mkom, označeno skupino in delovnim mestom) odda študent asistentu v pregled dnevno po končanem eksperimentalnem delu. 7. Laboratorijski dnevnik mora vsebovati: − naslov, zaporedno številko in datum − opis eksperimentalnega dela, opravljanja vaje, − meritve, − namen vaje - osnovni princip, − izračun, − teoretske osnove, − rezultat. − kemijske reakcije, − skico instrumenta. 8. Kandidat mora opraviti vse vaje po študijskem programu, pri tem mora biti 80 % rezultatov eksperimentalnega dela pravilnih. Posamezno vajo lahko študent ponavlja največ dvakrat. 9. Po uspešno opravljenem eksperimentalnem delu vaj lahko študent pristopi k zaključnemu kolokviju vaj. Zaključni kolokvij vaj je pozitivno ocenjen, kadar študent doseže 50 % ali več, vsebuje pa pregled teoretskih osnov z uporabo stehiometričnih izračunov. 10. Ocena kolokvija in uspešnost opravljenih eksperimentalnih vaj sestavljata zaključno oceno vaj, ki se kot del ocene predmeta Analizna kemija II, upošteva pri končni izpitni oceni. Uspešno opravljen kolokvij iz vaj je hkrati tudi potreben pogoj za pristop k izpitu iz Analizne kemije II ali Industrijske analize. 1. vaja Potenciometrična titracija H3PO4 z NaOH 1. vaja: Potenciometrična titracija H3PO4 z NaOH 11. Namen vaje a) Določitev volumna prve in druge ekvivalentne točke pri titraciji H3PO4 z NaOH z uporabo barvnih indikatorjev. b) Natančna določitev volumna obeh ekvivalentnih točk z uporabo kombinirane steklene elektrode pri potenciometrični titraciji H3PO4 z NaOH. Volumen ekvivalentnih točk določimo grafično z metodo prvih in drugih odvodov ter z Granovo metodo. Teoretske osnove Pri potenciometričnih titracijah merimo potencialno razliko (mV, V, pH) med dvema elektrodama po dodatkih volumna titranta. Merilni sistem sestavljata delovna oz. indikatorska elektroda in referenčna – Ag/AgCl elektroda, ki sta pri uporabi kombinirane steklene elektrode združeni v eno ohišje. Potencialno razliko med elektrodama merimo z elektronskim voltmetrom tako, da pri meritvi med elektrodama ne teče električni tok. Izmerjeno razliko potencialov zapišemo: 𝐸𝐸 = 𝐸𝐸(DEL) − 𝐸𝐸(REF) + 𝐸𝐸(TEK) E izmerjen potencial [V], E(DEL) je potencial delovne oz. indikatorske elektrode [V], E(REF) potencial referenčne elektrode [V] in E(TEK) tekočinski potencial [V]. Potencial referenčne elektrode mora biti med merjenjem konstanten, saj služi kot primerjalni polčlen, ker absolutno merjenje potenciala ene elektrode ni možno. Tekočinski potencial znaša nekaj mV in nastane zaradi različne gibljivosti ionov v raztopini. Potencial delovne oz. indikatorske elektrode se spreminja v odvisnosti od logaritma aktivnosti H3O+ ionov v raztopini, kar podaja Nernstova enačba (𝐸𝐸0 − R ∙ 𝑇𝑇⁄𝑧𝑧 ∙ F ln 𝑎𝑎H ) ( E° standardni 3O+ elektrodni potencial [V], R plinska konstanta [8,314 J/molK], T temperatura [K], z število elektronov, F Faradayeva konstanta [96486 As/mol] in a H3O+ aktivnost H3O+ ionov). Aktivni del steklene elektrode je steklena membrana, ki jo sestavlja 72 % SiO2, 22 % Na2O in 6 % CaO. Na membrani se ustvarja potencialna razlika, ki nastane zaradi izmenjave oksonijevih ionov z natrijevimi, v hidratiziranem sloju membrane. Steklena elektroda reagira na razliko v aktivnosti (koncentracijah) oksonijevih ionov na obeh straneh membrane. Za odzivnost steklene elektrode je odgovorna zunanja plast od 1 nm do 100 nm, v kateri pride do izmenjave ionov, na izmenjavo pa vpliva tudi sestava stekla. Zaradi 12 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE razlik v sestavi stekla na obeh straneh membrane pride do neenakomerne napetosti v steklu in posledično do nastanka t.i. asimetričnega potenciala, ki vpliva na potencial steklene elektrode. Asimetrični potencial je specifičen za vsako stekelno elektrodo in se tudi spreminja, zato je potrebno elektrodo pred meritvami umeriti, standardizirati z merjenjem potenciala v standardni puferni raztopini. H3O+razt + Na+stek ↔ Na+razt + H3O+stek 𝑎𝑎 𝐸𝐸 H3O+(zun.) b = 𝐸𝐸1 − 𝐸𝐸2 = 0,059 log 𝑎𝑎H3O+(notr.) = 0,059 log 𝑎𝑎H3O+(zun.) − 0,059 log 𝑎𝑎H3O+(notr.) Ker je 𝑎𝑎H3O+(notr.) konstantna se enačba poenostavi: 𝐸𝐸b = 𝐾𝐾 + 0,059 log 𝑎𝑎H3O+(zun.) oziroma 𝐸𝐸b = 𝐾𝐾 − 0,059 pH Slika 1: Shema kombinirane steklene elektrode. Vir: lasten. 1. vaja: Potenciometrična titracija H3PO4 z NaOH 13. Delo 1.) Pri titraciji z uporabo barvnih indikatorjev odpipetiramo 10 mL 0,20 M H3PO4, dodamo indikator metilrdeče in titriramo z 0,50 M NaOH do spremembe barve iz rdeče v rumeno. Tako določimo volumen prve ekvivalentne točke. Za določitev volumna druge ekvivalentne točke odpipetiramo 10 mL 0,20 M H3PO4, dodamo indikator fenolftalein in titriramo z 0,50 M NaOH do spremembe barve iz brezbarvne v vijolično. 2.) Pred pričetkom potenciometrične titracije je potrebno pH elektrodo umeriti. Umerimo jo s pufernima raztopinama pri pH = 7,00 in pH = 4,00. Najprej priključimo pH meter in kombinirano stekleno elektrodo namestimo v čašo s puferno raztopino pri pH = 7,00. Raztopina se mora ves čas mešati s pomočjo magnetnega mešala. Elektroda mora biti v raztopino nameščena tako, da je frita elektrode pokrita vsaj 5 mm, pri tem pa mora biti med magnetnim mešalom in elektrodo dovolj prostora, da se elektroda ne poškoduje! pH nastavimo na 7,00. Ko se pH vrednost stabilizira, elektrodo dvignemo iz raztopine in jo temeljito speremo z destilirano vodo. Nato v čaši pripravimo puferno raztopino pri pH = 4,00 in opravimo umeritev še v drugi točki. Ko se pH vrednost stabilizira, dvignemo elektrodo iz raztopine in jo ponovno temeljito speremo. pH elektroda je tako umerjena. Pri potenciometrični titraciji odpipetiramo 10 mL 0,20 M H3PO4 in z merilnim valjem dodamo toliko destilirane vode, da je keramična frita kombinirane steklene elektrode pokrita vsaj 5 mm. Volumen vode, ki ga dodamo, zapišemo, saj ga potrebujemo pri izračunu Granove funkcije. Raztopino H3PO4 titriramo z 0,50 M NaOH v bireti z dodatki po 0,50 mL. Po vsakem dodatku počakamo, da se vrednost pH ustali! Ko se približamo prvi ekvivalentni točki na 1,00 mL (glej volumen pri titraciji z uporabo indikatorjev), pričnemo dodajati NaOH po 0,05 mL. Vrednosti pH zapisujemo po 0,05 mL dodatkih tudi še 0,50 mL po prvi ekvivalentni točki. Ko se približamo drugi ekvivalentni točki na 1,00 mL (glej volumen pri titraciji z uporabo indikatorjev), pričnemo ponovno dodajati NaOH po 0,05 mL in v takih intervalih dodajamo NaOH še 0,50 mL po drugi ekvivalentni točki. Do končnih 10 mL NaOH v bireti titriramo z dodatki po 0,50 mL. Po končani tritraciji speremo elektrodo in bireto z destilirano vodo ter izključimo mešalo in pH meter. Kombinirana steklena elektroda ne sme biti hranjena na zraku, saj se steklena membrana ne sme izsušiti. Zato jo do naslednjih meritev hranimo v ustreznem pufru, za krajše obdobje lahko tudi v destilirani vodi. Izračunamo vrednosti ΔpH /ΔV, Δ 2 pH /ΔV 2 in F G za obe ekvivalentni točki in grafično ter računsko določimo volumen obeh ekvivalentnih točk. 14 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Slika 2: Shema titracijske celice pri titraciji H3PO4 z NaOH. Vir: lasten. Rezultati vaje 1.) pH V NaOH / (mL) Slika 3: Grafični prikaz celotne titracijske krivulje pri titraciji H3PO4 z NaOH s spremljanjem vrednosti pH v odvisnosti od prostornine NaOH. Vir: lasten. 1. vaja: Potenciometrična titracija H3PO4 z NaOH 15. 2.) / ∆V ∆pH V NaOH / (mL) Vir: lasten. Slika 4: Grafični prikaz dela titracijske krivulje (ΔpH/ΔV) v odvisnosti od prostornineNaOH za prvo ekvivalentno točko. Vir: lasten. 3.) 2 / ∆VpH2∆ V NaOH / (mL) Slika 5: Grafični prikaz titracijske krivulje (Δ2pH/ΔV2) v odvisnosti od prostornineNaOH za prvo in drugo ekvivalen.tno točko (Vir: lasten) in natančen izračun prve in druge ekvivalentne točke točke s pomočjo enačbe: Vir: lasten. 16 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE 1. vaja: Potenciometrična titracija H3PO4 z NaOH 17. 4.) Izračun Granove funkcije ( F G1 = ( V 0 +V t )· 10-pH ), njen grafični prikaz ( F G1 v odisnosti od prostornine NaOH) ter določitev prve ekvivalentne točke z ekstrapolacijo funkcije F G1. 5.) Izračun Granove funkcije ( FG2 = ( V0+Vt )· 10-pOH ), njen grafični prikaz ( F G2 v odvisnosti od prostornine NaOH) ter določitev prve ekvivalentne točke z ekstrapolacijo funkcije F G2. 18 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE 6.) Skica kombinirane steklene elektrode z označenimi sestavnimi deli. Novi pojmi Potenciometrija, Nernstova enačba, delovna elektroda, referenčna elektroda, kombinirana steklena elektroda, pH, Granova funkcija. 2.vaja: Potenciometrično določanje koncentracije Br- ionov 19. 2. vaja Potenciometrično določanje koncentracije Br- ionov 2.vaja: Potenciometrično določanje koncentracije Br- ionov 21. Namen vaje a) Določitev koncentracije Br- ionov v vzorcu z uporabo umeritvene krivulje. b) Določitev koncentracije Br- ionov v vzorcu z uporabo metode standardnega dodatka. Teoretske osnove Pri direktni potenciometriji merimo potencialno razliko (mV, V) med dvema elektrodama, delovno ali indikatorsko Br- ionoselektivno elektrodo (ISE) in referenčno – Hg/Hg2Cl2 ali nasičeno kalomelovo elektrodo (NKE). Potencialno razliko med elektrodama merimo s potenciometrom ali elektronskim voltmetrom tako, da pri meritvi med elektrodama ne teče električni tok ( I = 0). Izmerjeno razliko potencialov zapišemo: 𝐸𝐸 = 𝐸𝐸(DEL) − 𝐸𝐸(REF) + 𝐸𝐸(TEK) Kjer je E izmerjen potencial [V, mV], E(DEL) je potencial delovne oz. indikatorske elektrode [V, mV], E(REF) potencial referenčne elektrode [V, mV] in E(TEK) tekočinski potencial [V, mV]. Potencial referenčne elektrode je med merjenjem konstanten, saj služi kot primerjalni polčlen, ker absolutno merjenje potenciala posamezne elektrode ni možno. Tekočinski potencial znaša nekaj mV in nastane zaradi različne gibljivosti ionov v raztopini. Potencial delovne elektrode se spreminja v odvisnosti od logaritma aktivnosti Br- ionov v raztopini, kar podaja Nernstova enačba 𝐸𝐸DEL = 𝐸𝐸0Ag/AgBr − R ∙ 𝑇𝑇⁄𝑧𝑧 ∙ F ∙ ln𝑎𝑎Br− ali če predpostavimo da je aktivnost enaka koncentraciji (majhna ionska jakost) lahko zapišemo 𝐸𝐸 0 DEL = 𝐸𝐸Ag/AgBr − 59,1(𝑚𝑚𝑚𝑚) log 𝑐𝑐Br− (kjer je: E(DEL) elektrodni potencial delovne oz. indikatorske elektrode [V, mV], E 0Ag/AgBr standardni elektrodni potencial Ag/AgBr [V, mV], R plinska konstanta [8,314 J/mol·K], 𝑇𝑇 temperatura [K], 𝑧𝑧 število elektronov, F Faradayeva konstanta [96486 As/mol], 𝑎𝑎 Br− aktivnost in 𝑐𝑐Br− koncentracija Br- ionov). 22 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Za potenciometrično določanje analitov npr. Br- ionov v vzorcu lahko uporabimo metodo umeritvene krivulje ali metodo standardnega dodatka. Pri metodi standardnega dodatka vzorcu neznane koncentracije najprej pomerimo potencial E 1 , dodamo znano koncentracijo analita in ponovno pomerimo potencial E 2. Iz razlike potencialov Δ E izračunamo koncentracijo Br- ionov v vzorcu: 𝐸𝐸 0 1(brez s.d.) = 𝐸𝐸Ag/AgBr − 59,1𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑐𝑐𝑥𝑥 − 𝐸𝐸(REF) + 𝐸𝐸(TEK) 𝑐𝑐 𝐸𝐸 0 x ∙ 𝑚𝑚x + 𝑐𝑐s ∙ 𝑚𝑚s 2 (s s.d.) = 𝐸𝐸Ag/AgBr − 59,1𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑚𝑚 − 𝐸𝐸(REF) + 𝐸𝐸(TEK) x + 𝑚𝑚s ∆𝐸𝐸 = 𝐸𝐸2 − 𝐸𝐸1 𝑐𝑐 ∆𝐸𝐸 = 𝐸𝐸0 x ∙ 𝑚𝑚x + 𝑐𝑐s ∙ 𝑚𝑚s 0 Ag/AgBr − 59,1𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑚𝑚 − �𝐸𝐸Ag/AgBr − 59,1𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑐𝑐x� x + 𝑚𝑚s 𝑐𝑐 ∆𝐸𝐸 = −59,1𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 x ∙ 𝑚𝑚x + 𝑐𝑐s ∙ 𝑚𝑚s 𝑚𝑚 + 59,1𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑐𝑐x x + 𝑚𝑚s 𝑐𝑐 ∆𝐸𝐸 = −(59,1𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 x ∙ 𝑚𝑚x + 𝑐𝑐s ∙ 𝑚𝑚s 𝑚𝑚 − 59,1𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑐𝑐x) x + 𝑚𝑚s ∆𝐸𝐸 = −(59,1𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐x∙𝑉𝑉x+𝑐𝑐s∙𝑉𝑉s) / : -59,1 (𝑉𝑉x+𝑉𝑉s)∙𝑐𝑐x − ∆𝐸𝐸 = 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑐𝑐x∙𝑉𝑉x+𝑐𝑐s∙𝑉𝑉s antilogaritmiramo 59,1 (𝑉𝑉x+𝑉𝑉s)∙𝑐𝑐x 10− ∆𝐸𝐸 59,1 = 𝑐𝑐x∙𝑉𝑉x+𝑐𝑐s∙𝑉𝑉s → 𝑐𝑐 (𝑉𝑉 x ∙ 𝑚𝑚x + 𝑐𝑐s ∙ 𝑚𝑚s = 10− ∆𝐸𝐸 59,1 ∙ 𝑚𝑚x ∙ 𝑐𝑐x + 10− ∆𝐸𝐸 59,1 ∙ 𝑚𝑚s ∙ 𝑐𝑐x x+𝑉𝑉s)∙𝑐𝑐x 𝑐𝑐s ∙ 𝑚𝑚s = 10− ∆𝐸𝐸 59,1 ∙ 𝑚𝑚x ∙ 𝑐𝑐x + 10− ∆𝐸𝐸 59,1 ∙ 𝑚𝑚s ∙ 𝑐𝑐x − 𝑐𝑐x ∙ 𝑚𝑚x 𝑐𝑐s ∙ 𝑚𝑚s = 𝑐𝑐x ∙ (10− ∆𝐸𝐸 59,1 ∙ (𝑚𝑚x + 𝑚𝑚s) − 𝑚𝑚x) 𝑐𝑐 𝑐𝑐 s ∙ 𝑚𝑚s x = 10− ∆𝐸𝐸 59,1 ∙ (𝑚𝑚x + 𝑚𝑚s) − 𝑚𝑚x V s = volumen standardnega dodatka = 10 mL, V x = končni volumen razredčitve = 100 mL, c s = koncentracija osnovne standardne raztopine = 0,1 mol/L, c x = neznana koncentracija Br- ionov v vzorcu E = potencial v mV 1. vaja: Potenciometrična titracija H3PO4 z NaOH 23. Delo Iz osnovne 0,1 mol/L oz. 10-1 M raztopine KBr z zaporednim redčenjem pripravimo standardne raztopine v 100 mL bučkah, ki bodo imele koncentracije 10-2M, 10-3 M, 10-4 M in 10-5 M Br-. Raztopine pripravimo tako, da bodo imele enako ionsko moč, zato v vse bučke s koncentracijami med 10-2 M in 10-5 M Br- odpipetiramo še po 10 mL KNO3 in jih nato razredčimo z destilirano vodo do oznake. Nato po priloženih navodilih priključimo mV/pH meter in mešalo v omrežje ter preverimo, če sta elektrodi pravilno priključeni. Odstranimo zaščitni pokrov delovne Br- ISE in referenčne NKE ter preverimo nivo nasičene raztopine KCl v referenčni elektrodi. Elektrodi namestimo v standardno raztopino najnižje koncentracije to je 10-5 M in uravnamo mešanje. Pri tem pazimo, da je med magnetnim mešalom in površino elektrod vsaj 10 mm raztopine. Po potrebi za odčitek potenciala preklopimo funkcijsko tipko iz območja »pH« v območje »mV« ter po vzpostavitvi ravnotežja (8 do 10 min) odčitamo potencial v mV. Po enakem postopku izmerimo potencial tudi ostalim standardnim raztopinam (10-4 M, 10-3 M, 10-2 M) in osnovni 10-1 M raztopini, ki pa ji predhodno ne dodamo KNO3. Po enakem postopku izmerimo potencial vzorčnim raztopinam (vzorec 1, vzorec 2 brez standardnega dodatka, vzorec 2 s standardnim dodatkom). Tudi tem dodamo po 10 mL KNO3 pred končno redčitvijo. Koncentracijo Br- ionov v vzorcu 1 odčitamo iz umeritvene krivulje, ki jo narišemo na semilogaritemski papir (na y os nanašamo koncentracije, na x os nanašamo vrednosti izmerjenih potencialov). Koncentracijo Br- ionov v vzorcu 2 določamo z metodo standardnega dodatka. Potencial vzorca 2 izmerimo dvakrat. Prvič takoj po končnem redčenju. Drugič pa ko smo vzorcu dodali standardni dodatek Br- ionov (10 mL 10-1 M raztopine) neposredno v čašo. Iz razlike potencialov ΔE izračunamo koncentracijo Br- ionov v vzorcu 2 po zgornji formuli. Preden izključimo mV/pH meter, preverimo odčitke in rezultat vaje. 24 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Slika 6: Shema titracijske celice pri določanju vsebnosti Br- ionov v vzorcu. Vir: lasten. Rezultat vaje 1.) Umeritvena krivulja na semilogaritemskem papirju z odčitkom koncentracij neznanih vzorcev Br- ionov. 1. vaja: Potenciometrična titracija H3PO4 z NaOH 25. 2.) Izračun koncentracije neznanega vzorca Br- ionov z metodo standardnega dodatka Novi pojmi Potenciometrija, Nernstova enačba, delovna ali indikatorska Br- ionoselektivna elektroda - ISE, referenčna elektroda - nasičena kalomelova elektroda - NKE. 26 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE 3. vaja Konduktometrične titracije 1. vaja: Potenciometrična titracija H3PO4 z NaOH 27. 28 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Namen vaje a) Konduktometrična titracija raztopine AgNO3 za natančno določitev koncentracije BaCl2. b) Natančna določitev koncentracije Li2SO4 s konduktometrično titracijo z raztopino BaCl2, katere točno koncentracijo smo določili pod točko a). c) Natančna določitev koncentracije CH3COOH s konduktometrično titracijo z raztopino NaOH. Teoretske osnove Električna upornost vodnika ( R) je premo sorazmerna z dolžino ( l) in obratno sorazmerna s presekom vodnika ( S), 𝑅𝑅 = 𝜌𝜌 ∙ 𝑙𝑙/𝑆𝑆, kjer je ρ specifična upornost [Ωm] in je odvisna od vrste snovi in od temperature. Za raztopine elektrolitov je uporabnejša recipročna vrednost specifične upornosti, to je specifična prevodnost ( χ) (𝜒𝜒 = 1/𝜌𝜌 [Ω-1m-1, Ω-1cm-1]). Specifična prevodnost je odvisna od koncentracije ionov in njihovih ekvivalentnih prevodnosti, ki so aditivne. Molska prevodnost (𝛬𝛬) je specifična prevodnost, ki upošteva tudi koncentracijo raztopin (𝛬𝛬 = 𝜒𝜒/𝑐𝑐) (za 1 : 1 elektrolit velja, da je 𝛬𝛬 = 𝛬𝛬+ + 𝛬𝛬−). Prevodnost raztopin močnih elektrolitov (1 M) znaša približno 0,1 Ω-1cm-1. Specifična prevodnost destilirane vode, ki je tudi merilo za njeno čistost, znaša 10-6 Ω-1cm-1. Električno prevodnost raztopin merimo tako, da izmerimo tok v merilni celici, ki teče skozi raztopino pri določeni napetosti. Da preprečimo polarizacijo elektrod, uporabimo izmenično napetost (1000 do 2000 Hz). Konduktometrično celico sestavljata dve Pt ploščici z enako površino ( S), med katerima je konstantna razdalja ( l). Pri konduktometričnih titracijah uporabljamo za določitev ekvivalentne točke razliko v specifični upornosti analita in reagenta. Prevodnost ionov je sicer premo sorazmerna s koncentracijo, vendar pri konduktometričnih titracijah zveza ni popolnoma linearna, saj je potrebno upoštevati redčenje, hidrolizo, topnost reaktantov in produktov, temperaturne spremembe itd. Delo Konduktometer in mešalo priključimo v omrežje. Pt konduktometrično celico priključimo v polja z oznako Kχ. Za titraciji pod točko a) in b) uporabimo konduktometrično celico, ki ima l = 2 mm (občutljivost meritve ( μ) nastavite na 100 ali 300 - kratno vrednost), za titracijo pod točko c) pa konduktometrično celico, ki ima l = 20 mm (občutljivost meritve 3. vaja: Konduktometrične titracije 29. (μ) nastavite na 10 ali 30 – kratno vrednost). Prevodnost odčitamo na analogni skali tako, da odčitamo vrednost kazalca na skali, ki mora biti pokrit s svojo sliko v ogledalu. Slika 7: Konduktometrični celici s Pt elektrodama za merjenje prevodnosti raztopin (levo – celica z l = 20 mm, desno – celica z l = 2 mm). Vir: lasten. a) V čašo odpipetiramo 5 mL 0,1 M AgNO3, z merilnim valjem dodamo 150 mL destilirane vode in titriramo z BaCl2. Dodatki titranta so v koraku po 0,5 mL. Po vsakem dodatku titranta počakamo 90 s, da se vzpostavi ravnotežje in nato odčitamo prevodnost raztopine. Z ekstrapolacijo točk pred in po ekvivalentni točki v diagramu χ v odvisnosti od prostornineBaCl2 izračunamo molarnost ( c) in faktor f raztopine BaCl2. 2AgNO ) 3 + BaCl2 ↔ 2AgCl + Ba(NO3 2 b) V čašo odpipetiramo 5 mL Li2SO4, z merilnim valjem dodamo 150 mL destilirane vode in titriramo z BaCl2. Dodatki titranta so v koraku po 0,5 mL. Po vsakem dodatku titranta počakamo 90 s, da se vzpostavi ravnotežje in nato odčitamo prevodnost raztopine. Z ekstrapolacijo točk pred in po ekvivalentni točki v diagramu χ v odvisnosti od prostornineBaCl2 izračunamo molarnost ( c) in faktor f raztopine Li2SO4. Li2 SO4 + BaCl2 ↔ 2LiCl + BaSO4 30 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE c) V čašo odpipetiramo 5 mL CH3COOH, z merilnim valjem dodamo 150 mL destilirane vode in titriramo z NaOH. Dodatki titranta so v koraku po 0,5 mL. Po vsakem dodatku titranta počakamo 90 s, da se vzpostavi ravnotežje in nato odčitamo prevodnost raztopine. Z ekstrapolacijo točk pred in po ekvivalentni točki v diagramu χ v odvisnosti od prostornine NaOH molarnost ( c) in faktor f raztopine CH3COOH. CH3COOH + NaOH → H2O + CH3COONa Rezultat vaje: a) Diagram χ v odvisnosti od prostornineBaCl2, izračun molarnosti c in faktorja f za BaCl2. 3. vaja: Konduktometrične titracije 31. b) Diagram χ v odvisnosti od prostornine BaCl2, izračun molarnosti c in faktorja f za Li2SO4. c) Diagram χ v odvisnosti od volumnaNaOH, izračun molarnosti c in faktorja f za CH3COOH . Novi pojmi Konduktometrija, konduktometrična celica, električna upornost ( R), specifična upornost ( ρ), specifična prevodnost ( χ). 2.vaja: Potenciometrično določanje koncentracije Br- ionov 32. 4. vaja Elektrogravimetrija 3. vaja: Konduktometrične titracije 33. 34 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Namen vaje Določitev mase bakra v vzorcu z elektrolizo pri konstantnem potencialu. Teoretske osnove Pri elektrogravimetriji se med elektrolizo zaradi oksidacije ali redukcije snovi izloči na elektrodi kovina ali oksid, katerega maso določimo s tehtanjem. Elektrolizo lahko izvajamo pri: konstantnem potencialu, konstantnem toku ali pri konstantnem potencialu delovne elektrode. Pri elektrolizi s konstantnim potencialom ali tokom med elektrodama (katodo in anodo) priključimo konstantni potencial oziroma tok. Zaradi slabe selektivnosti lahko takšno elektrolizo uporabljamo le za analize enostavnih raztopin ali raztopin z znano sestavo ali za elektrolitsko čiščenje reagentov. Elektrogravimetrijo odlikuje visoka točnost (absolutna analizna tehnika), vendar je časovno zamudna in zato ni primerna za večje serije vzorcev. Zvezo med množino elektrenine ( Q) in množino snovi v elektrolitski celici podaja Faradayev zakon: 𝑄𝑄 = 𝐼𝐼 ∙ 𝑡𝑡 = 𝑧𝑧 ∙ 𝑛𝑛 ∙ 𝐹𝐹, kjer je: Q količina elektrenine [As], I tok [A], t čas [s], z število elektronov, n množina snovi [mol], F Faradayeva konstanta [96 486 As/mol]. Delo Obe platinasti elektrodi speremo v HNO3 1:1, nato z destilirano vodo in etanolom ter ju posušimo v sušilniku. Elektrodi ohladimo na sobno temperaturo in nato večjo elektrodo (katodo) stehtamo na 0,1 mg natančno. V 250 mL čašo z vzorcem dodamo 5 mL koncentrirane H2SO4 in magnetno mešalo. Elektrodi namestimo tako, da je anoda znotraj katode, stene elektrod pa se pri tem ne smejo dotikati! Elektrod in kontaktov pri tem ne upogibamo, pomagamo si izključno z vijaki na stojalu! Pred dokončno potopitvijo elektrod v raztopino in priklučitvijo elektrolizerja, pokličemo asistenta ali tehničnega sodelavca. Nato v čašo ob steni dolijemo toliko vode, da bosta elektrodi popolnoma pokriti in pravilno povežemo elektrolizer in elektrodi (anoda - modri kabel, katoda - rdeči kabel). Priključimo mešalo in elektrolizer ter počasi zvišujemo napetost med elektrodama na voltmetru od 2,0 do 2,5 V. Tok na amperometru ne sme biti večji od 0,5 A. Po 2 urah prekinemo elektrolizo tako, da najprej dvignemo elektrodi iz raztopine, ju speremo z destilirano vodo in šele nato izključimo elektrolizer. Katodo speremo z etanolom, jo posušimo v sušilniku, ohladimo na sobno temperaturo in jo ponovno 4. vaja: Elektrogravimetrija 35. natančno stehtamo. Iz razlike v masi katode pred in po elektrolizi izračunamo količino bakra v vzorcu. Nato elektrodo speremo v HNO3 1:1, v destilirani vodi in etanolu ter jo posušimo v sušilniku. Slika 8: Pt elektrodi za elektrolizo; levo – katoda, desno – anoda Vir: lasten. Reakcije 2 Cu2+ + 6 H2 OO +2 4 H3O+ + 2 Cu0 KATODA: redukcija Cu2++ 2e- Cu0 ANODA: oksidacija 4 OH- O2 + 2H2O + 4e- Rezultat vaje Masa bakra v vzorcu, ki se izloči na katodi, v mg Novi pojmi Elektroliza, katoda, anoda, Faradayev zakon, množina elektrenine ( Q). 2.vaja: Potenciometrično določanje koncentracije Br- ionov 36. 5. vaja Spektrofotometrična določitev železa 4. vaja: Elektrogravimetrija 37. 38 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Namen vaje a) Določitev in izračun molarnega absorpcijskega koeficienta ( ε) raztopin Fe z o-fenantrolinom (1,10- fenantrolinom). b) Določitev koncentracije Fe v vzorcu z merjenjem absorbanc raztopin Fe z o-fenantrolinom, z umeritveno krivuljo. Teoretske osnove Molekule absorbirajo energijo elektromagnetnega valovanja (svetlobe) na različne načine. Največ energije se absorbira pri prehodu elektronov na višje energetske nivoje, manjši del pa se je porabi za vibracije, rotacije ali translacije atomov v molekuli. Ultravijolično območje (UV) med 200 in 400 nm, vidno območje (VIS) med 400 in 800 nm ter infrardeče območje (IR) med 2 in 15 μm predstavljajo sicer zelo ozek del spektra elektromagnetnega valovanja, vendar v tem območju absorbira svetlobo večina organskih, biološko aktivnih in koordinacijskih spojin. Z IR spektroskopijo določamo funkcionalne skupine in strukture organskih molekul, medtem ko UV in VIS spektroskopijo uporabljamo za kvantitativno določanje analitov. Povezavo absorbance ( A) in množinske koncentracije ( c) opisuje Beer-Lambertov zakon: 𝐴𝐴 = 𝜀𝜀 ∙ 𝑙𝑙 ∙ 𝑐𝑐, kjer je: ε molarni absorpcijski koeficient (Lmol-1cm-1), l dolžina optične poti (cm), c množinska koncentracija (mol/L, M). Molarni absorpcijski koeficient v zapisu je konstanta, ki je odvisna od vrste snovi in od izbrane valovne dolžine. Neposredno iz Beer-Lambertovega zakona sledi, da se absorbanca veča, če narašča koncentracija analita, enak pojav pa opazimo tudi, ko daljšamo optično pot. Vendar Beer-Lambertov zakon velja le: a) kadar svetlobni vir oddaja monokromatsko svetlobo (svetlobo točno določene λ ± Δ λ), b) kadar so koncentracije raztopin pod 10-3 M, saj so takrat spremembe lomnega količnika raztopin minimalne, zanemarimo pa lahko tudi absorpcijo energije zaradi medmolekulskih interakcij. 5. vaja: Spektrofotometrična določitev železa 39. MONOKROMATOR IZPIS (A) detektor izvor vhodna izhodna prizma vzorec svetlobe reža reža Slika 9: Sestavni deli spektrofotometra Vir: lasten. Delo Za določanje koncentracij Fe z uporabo umeritvene krivulje si iz standardne raztopine (10 mg/L) pripravimo raztopine koncentracij 0,1, 0,3, 0,5, 0,7 in 0,9 mg/L. Izračunan volumen standardnih raztopin odmerimo s pomočjo Schelbachove birete v 100 mL bučke. Za nastanek obstojne raztopine Fe z o-fenantrolinom dodamo po vrstnem redu: 1,0 mL H2SO4 (1 M), 1,0 mL hidroksilamin hidroklorida, ki reducira Fe3+ do Fe2+ in 1,0 mL o-fenantrolina. Dodamo približno 70 mL destilirane vode in pred končnim razredčenjem do oznake še 0,5 mL koncentriranega amonijaka. Zaradi hlapnosti amonijaka tega vedno dodajamo obvezno v digestoriju, raztopine za umeritveno krivuljo pa pripravimo tako, da meritve izvedemo v dveh delih. Vzorcu v 100 mL bučki dodamo enake količine reagentov kot pri posameznih točkah umeritvene krivulje. Slepi vzorec ali »slepo probo« si pripravimo tako, da vzamemo enake količine reagentov v 100 mL bučki kot pri posameznih točkah umeritvene krivulje. Absorbanco merimo v 1 cm kiveti pri 510 nm na spektrofotometru (Varian, Cary 50 Bio). Prvo meritev demonstrira tehnični sodelavec ali asistent. Pri nadaljnjih meritvah pazimo na čistost sten kivet in na pravilno lego kivet v spektrofotometru. 40 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Rezultat vaje 1.) Izračun povprečne vrednosti molarnega absorpcijskega koeficienta raztopin Fe z o-fenantrolinom (iz Beer-Lambertovega zakona). 5. vaja: Spektrofotometrična določitev železa 41. 2.) Umeritvena krivulja za Fe z odčitkom koncentracije neznanega vzorca v mg/L. Novi pojmi Spektrofotometrija, Beer-Lambertov zakon, absorpcija, molarni absorpcijski koeficient. 2.vaja: Potenciometrično določanje koncentracije Br- ionov 42. 6. vaja Atomska absorpcijska spektroskopija (AAS) 5. vaja: Spektrofotometrična določitev železa 43. 44 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Namen vaje a) Določitev koncentracije Zn v vzorcu z uporabo umeritvene krivulje. b) Določitev koncentracije Zn v vzorcu z metodo standardnega dodatka Teoretske osnove Pri atomski absorpcijski spektroskopiji merimo absorpcijo atomov cinka v plamenu (C2H2/O2 in komprimiranega zraka, T ≈ 2200 ºC). Plamen služi za izparevanje topila, uparevanje, razgradnjo vzorca in atomizacijo. Oblika in vrsta plamena vplivata na temperaturo in posledično na število prostih atomov v plamenu. Pri AAS je vir monokromatske svetlobe, katerega absorpcijo merimo, votla katoda. Votla katoda je žarnica, znotraj katere se pod vplivom električne napetosti emitira svetloba – črtast spekter atomov cinka oziroma tiste kovine, ki jo z AAS določamo. Votla katoda je pozicionirana pred plamenom. Z uporabo monokromatorja izberemo valovno dolžino, pri kateri je intenziteta spektra maksimalna in vpliv interferenčnih zvrsti minimalen. Detektor za merjenje absorpcije je fotopomnoževalka, ki število fotonov po absorpciji ojači in transformira v merjen električni signal. Slika 10: Shema, osnovni sestavni deli in princip delovanja atomskega absorpcijskega spektrometra – AAS Vir: lasten 6. vaja: Atomska absorpcijska spektroskopija (AAS) 45. Delo 1.) Za določitev koncentracije Zn v vzorcu z uporabo umeritvene krivulje si iz osnovne standardne raztopine (10 mg/L) pripravimo delovne raztopine s koncentracijami 0,4; 0,8; 1,2 in 1,6 mg/L. Izmerimo absorpcijo tako pripravljenih raztopin in vzorca. Iz umeritvene krivulje (diagrama odvisnosti A od γ ) odčitamo koncentracijo vzorca v mg/L. 2.) Za določitev koncentracije Zn v vzorcu z metodo standardnega dodatka, vzorcu, ki ga prejmemo v bučkah dodamo dodatke (1,0; 2,0; 3,0 in 4,0 mL) iz osnovne standardne raztopine (10 mg/L). Izmerimo absorpcijo vzorca in pripravljenih raztopin s standardnim dodatkom. Narišemo diagram odvisnosti A od γ (mg/L) tako, da absorbance brez dodatka narišemo na os Y, vse absorbance standardnih dodatkov (s.d. 1 mL, s.d. 2 mL, s.d. 3 mL, s.d. 4 mL), pa na desno stran diagrama na X os (slika 11). Z ekstrapolacijo točk na levo stran diagrama iz preseka na X osi odčitamo koncentracijo neznanega vzorca. Za vsak standardni dodatek koncentracijo vzorca tudi izračunamo - glej točko 3.) pod Rezultati vaje. odčitek cx 1 2 3 4 Slika 11: Metoda standardnega dodatka in diagram odvisnosti A odγ (mg/L) pri metodi standardnega dodatka z odčitkom koncentracije Zn v neznanem vzorcu Vir: lasten. 46 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Rezultat vaje 1.) Umeritvena krivulja z odčitkom koncentracije Zn v neznanem vzorcu v mg/L. 2.) Diagram odvisnosti A od γ (mg/L) pri metodi standardnega dodatka z odčitkom koncentracije Zn v neznanem vzorcu iz diagrama v mg/L. 6. vaja: Atomska absorpcijska spektroskopija (AAS) 47. 3.) Izračun koncentracije neznanega vzorca 𝑐𝑐x = 𝐴𝐴x∙𝑉𝑉s∙𝛾𝛾s pri metodi standardnega 𝑉𝑉x∙(𝐴𝐴s−𝐴𝐴x) dodatka. Zveza je izpeljana iz absorbance vzorca, kjer je 𝐴𝐴x = 𝑘𝑘∙(𝑉𝑉x∙𝛾𝛾x) in absorbance 𝑉𝑉 posameznega standardnega dodatka 𝐴𝐴s = 𝑘𝑘∙(𝑉𝑉x∙𝛾𝛾x+𝑉𝑉s∙𝛾𝛾s). Podamo tudi povprečno 𝑉𝑉 izračunano vrednost meritev. 4.) Označena skica instrumenta AAS. Novi pojmi Absorpcija, emisija, Planckov zakon (𝐸𝐸 = ℎ ∙ 𝜈𝜈), atomizacija, razprševanje, votla katoda, monokromator, monokromatska svetloba, fotopomnoževalka. 2.vaja: Potenciometrično določanje koncentracije Br- ionov 48. 7. vaja Atomska emisijska spektroskopija (AES) 6. vaja: Atomska absorpcijska spektroskopija (AAS) 49. 50 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Namen vaje a) Določitev koncentracije Na v realnem vzorcu z uporabo umeritvene krivulje. b) Določitev koncentracije K v realnem vzorcu z uporabo umeritvene krivulje. Teoretske osnove Pri atomski emisijski spektroskopiji merimo emisijo atomov Na ali K v plamenu (C2H2/O2 in komprimiranega zraka, T ≈ 2200 ºC). Vzorec se v razpršilniku najprej pomeša z zmesjo gorilnega plina in oksidanta, da nastane aerosol, ki ga vodimo v plamen gorilnika. V plamenu izpari topilo in vzorec razpade na proste molekule. Te razpadejo naprej v proste atome, ki so, odvisno od temperature plamena, v osnovnem ali v vzbujenem stanju. Celoten proces od uvajanja vzorca do nastanka prostih atomov imenujemo atomizacija. Oblika in vrsta plamena vplivata na temperaturo in posledično na število vzbujenih atomov v plamenu. Z uporabo monokromatorja izberemo valovno dolžino, pri kateri je intenziteta emitirane črte atomskega spektra maksimalna in vpliv interferenčnih zvrsti minimalen. Detektor za merjenje emisije je fotopomnoževalka, ki število emitiranih fotonov ojači in transformira v merjen električni signal. Delo Za določitev koncentracij Na in K v vzorcu si pripravimo iz osnovne standardne raztopine (1 g/L) delovno standardno raztopino s koncentracijo 10 mg/L Na oziroma K. Iz delovne standardne raztopine si z redčenjem v 100 mL bučkah pripravimo raztopine za umeritveno krivuljo s koncentracijami 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 in 1,0 mg/L. S pomočjo asistenta oz. tehničnega sodelavca izvedemo meritve in izmerimo intenziteto emisije ( I E) tako pripravljenih raztopin in vzorca. Iz umeritvene krivulje (diagram odvisnosti I E od γ (mg/L)) odčitamo koncentracijo vzorca v mg/L. 7. vaja: Atomska emisijska spektroskopija (AES) 51. Slika 12: Shema, osnovni sestavni deli in princip atomske emisijske spektroskopije AES. Vir: lasten. Rezultat vaje Umeritveni krivulji za Na in K (diagram odvisnosti I E od γ ) z odčitkoma vsebnosti Na in K v neznanem vzorcu v mg/L. 52 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Novi pojmi Emisija, Planckov zakon (𝐸𝐸 = ℎ ∙ 𝜈𝜈), atomizacija, razprševanje, monokromator, monokromatska svetloba, fotopomnoževalka. 2.vaja: Potenciometrično določanje koncentracije Br- ionov 53. 8. vaja Spektroskopska določitev zmesi benzena in toluena 54 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE 8. vaja: Spektroskopska določitev zmesi benzena in toluena 55. Namen vaje a) Priprava raztopin benzena in toluena v etanolu za umeritvene krivulje in merjenje absorbanc teh raztopin. Izračun molarnega absorpcijskega koeficienta raztopin benzena in toluena pri izbranih valovnih dolžinah. b) Določitev mase oz. masne koncentracije (v mg/L) benzena in toluena v vzorcu pri izbranih valovnih dolžinah z merjenjem absorbanc. Teoretske osnove Molekule absorbirajo energijo elektromagnetnega valovanja (svetlobe) na različne načine. Največ energije se absorbira pri prehodu elektronov na višje energetske nivoje, manjši del pa se je porabi za vibracije, rotacije ali translacije atomov v molekuli. Ultravijolično območje (UV) med 200 in 400 nm, vidno območje (VIS) med 400 in 800 nm ter infrardeče območje (IR) med 2 in 15 μm predstavljajo sicer zelo ozek del spektra elektromagnetnega valovanja, vendar v tem območju absorbira svetlobo večina organskih, biološko aktivnih in koordinacijskih spojin. Z IR spektroskopijo določamo funkcionalne skupine in strukture organskih molekul, medtem ko UV in VIS spektroskopijo uporabljamo za kvantitativno določanje različnih analitov. Povezavo absorbance ( A) in množinske koncentracije ( c) opisuje Beer-Lambertov zakon: 𝐴𝐴 = 𝜀𝜀 ∙ 𝑙𝑙 ∙ 𝑐𝑐 kjer je: ε molarni absorpcijski koeficient (Lmol-1cm-1), l dolžina optične poti (cm), c množinska koncentracija (mol/L, M). Molarni absorpcijski koeficient v zapisu je konstanta, ki je odvisna od vrste snovi in od izbrane valovne dolžine. Neposredno iz Beer-Lambertovega zakona sledi, da se absorbanca veča, če narašča koncentracija analita. Enak pojav opazimo tudi, ko daljšamo optično pot. 56 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Vendar Beer-Lambertov zakon velja le: a) kadar svetlobni vir oddaja monokromatsko svetlobo (svetlobo točno določene λ ± Δ λ), b) kadar so koncentracije raztopin pod 10-3 M, saj so takrat spremembe lomnega količnika raztopin minimalne. Zanemarimo pa lahko tudi absorpcijo energije zaradi medmolekulskih interakcij. Kadar pri izbrani valovni dolžini v raztopini absorbira več različnih molekulskih zvrsti, velja aditivnost absorbanc in Beer-Lambertov zakon se glasi: A = A 1 + A 2 + A 3. . Pogoj je, da je svetloba vira, ki ga uporabljamo, monokromatska in da je skupna koncentracija analitov pod 10-3 M. Slika 13: Prikaz aditivnosti absorbanc po Beer-Lambertovem zakonu. Vir: lasten. Delo Pripravimo raztopine benzena in toluena v etanolu in sicer tako, da 1,0 mL aromatskega topila odpipetiramo v 25 mL bučko in dopolnimo do oznake z etanolom. To je raztopina A. Nato odpipetiramo 1,0 mL raztopine A v 25 mL bučko in ponovno dopolnimo z etanolom do oznake. To je raztopina B. Iz raztopine B odpipetiramo po 1,0, 2,0, 3,0, 4,0 in 5,0 mL v 25 mL bučke, ki jih dopolnimo z etanolom. To so raztopine C, D, E, F, in G. Benzen ima absorpcijski maksimum pri 249 nm, toluen pa ima več absorpcijskih vrhov: 210 (maksimum), 243, 249, 255 in 269 nm. Absorpcijo raztopin (C, D, E, F, in G) benzena in toluena ter vzorec bomo merili pri valovnih dolžinah 249 nm (absorbirata benzen in 8. vaja: Spektroskopska določitev zmesi benzena in toluena 57. toluen) in 269 nm (absorbira samo toluen) na določenem spektrofotometru. Zaradi absorpcije v UV območju uporabljamo kivete iz kvarčnega stekla, referenčna raztopina v drugi kiveti je etanol. Prvo meritev demonstrira tehnični sodelavec ali asistent. Pri nadaljnjih meritvah pazimo na čistost sten kivet in na pravilno lego kivet v spektrofotometru! Rezultat vaje 1.) Umeritvene krivulje za benzen in toluen. 58 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE 2.) Izračunane vrednosti ε za benzen pri 249 nm in za toluen pri 249 nm in 269 nm. Podatki za benzen: ρbenzena (20°C ) = 0,879 g/mL = 879 g/L M benzena(C H ) = 78,11 g/mol ω 6 6 benzena = 99,1 g Podatki za toluen: ρtoluena (20°C ) = 0,867 g/mL = 867 g/L M toluena (C H CH ) = 92,14 g/mol 6 5 3 ω toluena = 98,4 g 8. vaja: Spektroskopska določitev zmesi benzena in toluena 59. c) Izračunana koncentracija toluena (A 269 = ε T269 · c T · l) in benzena ( A 249 = ε T249 · c T ·l + ε B249 · c B ·l) v mg/L. Novi pojmi Spektrofotometrija, aditivnost absorbanc, Beer-Lambertov zakon, odvisnost ε/ c(λ). 2.vaja: Potenciometrično določanje koncentracije Br- ionov 60. 9. vaja Ionska kromatografija 8. vaja: Spektroskopska določitev zmesi benzena in toluena 61. 62 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Namen vaje Določitev vsebnosti kloridnih, nitratnih in sulfatnih ionov v vzorcih površinskih ali pitnih vod z ionsko kromatografijo (IC). Teoretske osnove Ionska kromatografija sodi med „mlajše“ analizne metode, saj so bile njene teoretske osnove raziskane leta 1975 (Small, Stevens in Baumann). V analizni kemiji se je uveljavila kot standardna metoda po letu 1985. IC sodi med metode, pri katerih pride do fizikalno – kemijske ločitve komponent vzorca med tekočo mobilno fazo in stacionarno trdno fazo. Uporabna je za določanje anionskih in kationskih zvrsti ter za določanje polarnih zvrsti, česar ni omogočala nobena prej razvita kromatografska metoda. Za določanje posameznih zvrsti IC vključuje uporabo različnih ločitvenih postopkov na koloni in uporabe različnih detektorjev. Osnovni merilni sistem IC je zelo podoben klasičnemu sistemu za tekočinsko kromatografijo. Sestavljen je iz črpalke, injektorja, predkolone, stacionarne faze – kolone, supresorske kolone in detektorja. Slika 14: Shematski prikaz sistema za ionsko kromatografijo. Vir: lasten. 9. vaja: Ionska kromatografija 63. Kolone: Razlikujejo se po aktivnih funkcionalnih skupinah, ki so vezane na trdnem polimernem nosilcu. Za izmenjavo oz. določanje kationov se uporabljata močno kisla sulfonska (-SO - 3 H+) ali šibko kisla karboksilna (-COO- H+) funkcionalna skupina. Pri anionski izmenjavi se najpogosteje uporabljata močno alkalna (- N(CH + 3)3 OH-) ali šibko alkalna (-NH + 3 OH-) funkcionalna skupina. Slika 15: Ionski kromatograf ProStar (Varian®)/Dionex CD 20 z označenimi deli. Vir: lasten. 64 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Slika 16: Struktura polistiren-divinilbenzenskega kationskega izmenjevalca z močno kislo sulfonsko funkcionalno skupino. Vir: lasten. Slika 17: Struktura polistiren-divinilbenzenskega anionskega izmenjevalca z močno bazično kvarterno amino funkcionalno skupino. Vir: lasten. Pri potovanju anionske zvrsti Ax- po mobilni fazi skozi kolono, na kateri so vezane –N(CH + 3)3 OH- skupine, pride do ionske izmenjave: XN(CH + + 3)3 OH- (s) + Ax- (aq) ↔ (N(CH3)3 )x Ax- (s) + XOH- (aq) 9. vaja: Ionska kromatografija 65. K + + iz = [(N(CH3)3 )x Ax- (s)] · [ XOH- (aq)] / [ XN(CH3)3 OH- (s)] · [ Ax- (aq)] Zapisana konstanta ravnotežja (Kiz) nam pove, kako se bo nek anion zadrževal med stacionarno in mobilno fazo. Večje vrednosti kažejo, da se bo anion bolj zadrževal na stacionarni fazi in bo njegov zadrževalni čas na koloni daljši. Pri potovanju kationske zvrsti Kx+ v mobilni fazi skozi kolono, na kateri so vezane –RSO -3H+ skupine, pride do ionske izmenjave: X RSO - - 3 H+ (s) + Kx+ (aq) ↔ (RSO3 )x Kx+ (s) + XH+ (aq) Detektorji Pri ionski kromatografiji se za detekcijo najpogosteje uporablja merjenje prevodnosti. Detektorji za merjenje prevodnosti so enostavni, majhni, omogočajo merjenje v pretoku, imajo dolgo življenjsko dobo in so poceni. Njihova omejitev je občutljivost, saj je prevodnost analita in mobilne faze približno enaka in ne omogoča selektivne in specifične detekcije. Skupina Smal , Stevens, Baumann je vpeljala v sistem dodatno supresorsko kolono, na kateri pride do pretvorbe mobilne faze v nedisociirano obliko, analit pa pretvori v popolnoma disoci rano – visoko-prevodno obliko in tako omogoča uporabo prevodnostnih detektorjev za različne analite. Pri določanju anionov je supresorska kolona sestavljena iz kationskega izmenjevalca (vezana na nosilec npr. R), raztopina mobilne faze pa je največkrat natrijev hidrogenkarbonat ali natrijev karbonat. V supresorski koloni poteče naslednja reakcija: 𝑅𝑅 − 𝑆𝑆𝑂𝑂− − 3 𝐻𝐻+   +  𝑁𝑁𝑎𝑎𝐻𝐻𝑁𝑁𝑂𝑂3 ↔  𝑅𝑅 − 𝑆𝑆𝑂𝑂3 𝑁𝑁𝑎𝑎+ +   (𝑁𝑁𝑂𝑂2   +   𝐻𝐻2𝑂𝑂) Pri reakciji pride do izmenjave natrijevega kationa s protonom, medtem ko se natrijev hidrogenkarbonat pretvori v slabo disoci rano ogljikovo kislino, ta pa naprej v CO2. Pri ionski kromatografiji se kot univerzalni detektorji najpogosteje uporabljajo konduktometrični detektorji, poleg njih pa še amperometrični, UV/VIS, fluorescenčni in MS detektorji. 66 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Delo Za izvedbo eksperimentalnega dela bomo uporabili ionski kromatograf ProStar (Varian®) – črpalka mobilne faze in Dionex CD 20 – detektor za merjenje prevodnosti. Kot mobilno fazo bomo uporabljali 2,7 mM Na2CO3 in 0,3 mM NaHCO3 pri pretoku 1,5 mL/min. Injiciran volumen bo znašal 20 μL. Uporabljali bomo predkolono Ion Pac CG15 – 4 mm (10 – 32), Dionex®, kolono Ion Pac CS15 – 4 mm (10 – 32), Dionex®, detektor, CD20, Dionex® in anionski supresor – supresorsko kolono AERS – U–4 mm, Thermo/Dionex®. Določiti želimo vsebnost kloridnih, nitratnih in sulfatnih ionov v vzorcu površinskih ali pitnih vod tako, da primerjamo ploščino kromatografskih vrhov standardne raztopine s ploščinami vrhov v raztopini neznanega vzorca. Standardno raztopino si pripravimo tako, da zatehtamo znane mase predhodno sušenih soli in jih v dveh stopnjah redčenja pripravimo do želenih koncentracij (npr. 10 mg/L za kloridne in nitratne ione ter 20 mg/L za sulfatne ione). S pomočjo umeritvene krivulje ter ploščin kromatografskih vrhov vzorcev določimo, kakšna je koncentracija kloridnih, nitratnih in sulfatnih ionov v vzorcih v mg/L, če vzorec injiciramo pri enakih eksperimentalnih pogojih kot standardno raztopino. Novi pojmi Ionska izmenjava, ionska kromatografija (IC), anioni, kationi, supresor, ločevanje. 2.vaja: Potenciometrično določanje koncentracije Br- ionov 67. 10. vaja Plinska kromatografija 68 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE 10. vaja: Plinska kromatografija 69. Namen vaje Določitev vsebnosti benzena, toluena in ksilena v vzorcu s plinsko kromatografijo z masno selektivno detekcijo (GC/MS) ter določitev optimalnih pogojev ločbe na GC/MS sistemu. Teoretske osnove Plinska kromatografija ( angl. Gas Chromatography - GC) je analizna metoda za ločitev zmesi hlapnih spojin, ki so hlapne brez razkroja ali so v plinastem agregatnem stanju. Instrument za plinsko kromatografijo obsega šest pomembnih sklopov: dovod nosilnega plina in ventile za reguliranje pretoka plina, injektor, termostat (peč), kromatografsko kolono, detektor, sistem za obdelavo podatkov (slika 18). Slika 18: Osnovni deli GC sistema. Vir: lasten. Pri plinski kromatografiji zmes spojin vstopa skozi injektor v kolono, ki je napolnjena z adsorbentom ali nosilcem stacionarne faze (SF). Izvedba in uporaba injektorja je odvisna od kolone in vrste analiziranih spojin. Pri GC je injiciranje in izparevanje odločilnega pomena. Injiciranje in izparevanje je potrebno izvesti v čim krajšem času, tako da vzorec čim prej pride do kolone in se s tem prične ločevanje kromatografskih vrhov. Nezaželen 70 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE pojav je povratna difuzija, saj le-ta povzroča pojav lažnih vrhov. Injicirani volumen je odvisen od izbire kolone. V kolono lahko gre celotni volumen vzorca (npr. 2 μL). To imenujemo injiciranje brez razdelitve vzorca ali „SPLITLESS“ način injiciranja. Ta način je primeren za vzorce z nizko koncentracijo spojin (v sledovih – manj kot 0,1 %). Lahko pa v kolono prepuščamo le del celotnega vzorca v injektorju, ostalo se izloči skozi razdelilno linijo v odpad. Temu načinu pravimo „SPLIT“ injiciranje oz. način z linearno delitvijo vzorca (razmerje je npr. 1 : 50 – to pomeni, da gre 1 del v kolono in 50 delov v odpad). Ta način je primeren za vzorce z visoko koncentracijo analitov. Vzorec se v injektorju takoj upari. Temperatura je odvisna od vzorca (temperatura vrelišča je lahko tudi do 350 °C) in se prenese s pomočjo nosilnega plina (mobilna faza – MF) v kolono in skozi njo. MF se ne veže na SF. Kot MF pogosto uporabljamo pline helij, dušik, argon in vodik. Nosilni plini, najpogosteje N2, He ali H2, ki so praviloma shranjeni v jeklenkah, so zelo čisti in ne vsebujejo vlage, kisika, ogljikovodikov in drugih nečistoč. Separacija ali ločitev je posledica razlik v hitrosti potovanja posameznih komponent skozi kromatografsko kolono pod vplivom MF zaradi selektivnega zadrževanja (retencije) komponent na SF. Izbira SF v koloni je odvisna od tega, kakšen vzorec analiziramo. Pri izbiri SF velja pravilo, da se podobno topi v podobnem. Tako za nepolarne vzorce uporabljamo nepolarno SF in za polarne vzorce polarne SF. Vzrok zadrževanja določene komponente na koloni je porazdelitev topljenca med SF in MF. Ločitev poteka tako, da MF stalno potuje vzdolž kolone in prenese komponente vzorca, ki jih nanesemo (injiciramo) na kolono. Komponente zmesi se porazdelijo med MF in SF. Ta porazdelitev se ponavlja vzdolž kolone in končno se komponente ločeno eluirajo iz kolone, imajo različni retencijski čas – t R oz. čas zadrževanja na koloni. Na koncu jih zaznamo s specifičnimi detektorji. Signali so podani kot kromatografski vrhovi, celoten zapis imenujemo kromatogram. Ploščina pod kromatografskim vrhom je premo sorazmerna koncentraciji in podaja kvantitativno informacijo o analitu. Kolona je nameščena med injektorjem in detektorjem v termostatirani peči, ki je od okolice dobro izolirana. S pomočjo grelcev in ventilatorja je možno peč in kolono segreti do 300 °C. Temperatura se ravna po spojinah, ki jih želimo ločiti in po SF. Paziti je treba, da delovna temperatura ne preseže maksimalne dopustne temperature, sicer prične iz kolone izhajati SF. Pojav imenujemo krvavenje oz. „bleeding“ kolone, s čimer je zmanjšana točnost in natančnost meritev. Optimalne pogoje ločevanja navadno dosežemo s temperaturnim programiranjem. V zadnjem času se v glavnem uporabljajo kapilarne kolone (slika 19) s premerom od 0,2 do 0,4 mm in dolžinami nad 25 m. Takšna kolona je brez polnila, SF je nanešena v tankem filmu po notranji steni kapilare, zunanja stran, ki daje koloni mehansko trdnost, je prevlečena s poliimidom. SF je iz polimernega materiala, 10. vaja: Plinska kromatografija 71. ki mora biti inerten in obstojen pri visoki temperaturi. SF je navadno narejena na osnovi siloksanskih polimerov, ki so kovalentno vezani na notranjo površino kvarčne kapilarne kolone. Slika 19: Kapilarna kromatografska kolona za GC. Vir: lasten. Glede na sestavo ločimo (slika 20): − nepolarne SF (osnova je DIMETIL-POLISILOKSAN – DMP), − srednje polarne SF (osnova je 50 % DIFENIL in 50 % DMP), − polarne SF (osnova je POLIETILEN GLIKOL). Prednost GC z uporabo kapilarnih kolon je v tem, da je ločljivost izredno visoka, čas, potreben za analizo, pa kratek. Kapaciteta kapilarne kolone je zelo majhna, zato se navadno uporablja »split« način injiciranja vzorca. Slika 20: Strukture različnih stacionarnih faz in njihovih lastnosti: nepolarna stacionarna faza (a) (osnova je dimetil-polisiloksan oz. 5 % difenil – 9 5% dimetil polisiloksan), srednje polarna stacionarna faza (b) (35 % difenil – 65 % dimetil polisiloksan), polarna stacionarna faza (c) (osnova je polietilen glikol). Vir: lasten. Na izhodu iz kromatografske kolone je nameščen detektor, ki zazna komponente, ki se eluirajo iz kolone. Detektor mora izpolnjevati naslednje zahteve: − odzivni čas - reakcija na spremembo v sestavi iztoka iz kolone mora biti hitra, 72 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE − visoko občutljivost - detektor mora registrirati že najmanjše sledove tujih substanc v nosilnem plinu (10-8 – 10-15 g). − odziv detektorja – biti mora kvantitativen. Detektorji, ki se največ uporabljajo v povezavi s plinsko kromatografijo, so: − MSD (angl. Mass Selective Detector/Mass Spectrometry Detector) – masno selektivni detektor), − FID (angl. Flame Ionization Detector) – plamensko ionizacijski detektor, − TCD (angl. Thermal Conductivity Detector) – toplotno prevodni detektor, − TID (angl. Thermoionic Detector) – termo-ionizacijski detektor, − FPD (angl. Flame Photometric Detector) – plamensko fotometrični detektor, − ECD (angl. Electron Capture Detector) – detektor na zajetje elektronov. Masna spektrometrija Danes poznamo celo vrsto detektorjev, veliko je v uporabi selektivni masno spektrometrični detektor. Masna spektrometrija (angl. Mass Spectrometry-MS) je tehnika za identifikacijo snovi na osnovi analize ionov, nastalih iz osnovne molekule; ione ločuje glede na maso ( m) in naboj ( z). Masno selektivni detektor sestavljajo naslednji deli, ki se nahajajo v vakuumiranem prostoru (slika 21): − ionski izvor za elektronsko (EI) oz. kemijsko (CI) ionizacijo, − masni analizator, − sistem za zaznavo ionov. 10. vaja: Plinska kromatografija 73. Slika 21: Sestavni deli masno selektivnega detektorja Vir: lasten. Ionizacija plinskega vzorca poteka v ionskem prostoru (slika 22) ob prisotnosti emisije nizko oz. visoko energetskih elektronov, ki jih seva vroča katoda (elektronska ionizacija-EI) ali pa pare vzorca ioniziramo s pomočjo ionov reakcijskega plina (kemična ionizacija-CI). Nastale ione pospešimo in jih prenesemo skozi sistem elektronskih leč kot fokusirani curek v masni analizator. V masnem analizatorju merimo razmerje med maso in nabojem posameznega iona ( m/z). Masni analizator je lahko kvadrupol ali ionska past. S spreminjanjem polarnosti potencialov na sistemu leč in dinode določamo, kateri (pozitivni ali negativni) ioni bodo analizirani. Ioni, ki zapustijo masni analizator, pridejo v sistem za detekcijo, ki ga imenujemo elektronska pomnoževalka. Tukaj nastaja signal, sorazmeren številu ionov. Nastali signal elektronsko ojačamo in obdelamo s pomočjo programske opreme. 74 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Slika 22: Shematski prikaz ionizacije vzorca v ionskem prostoru. Vir: lasten. Ostali detektorji pri plinski kromatografiji Mnogi kromatografi so opremljeni z detektorji, ki slonijo na ionizacijski sposobnosti plinov. Takšen je plamensko ionizacijski detektor (FID), ki se odziva na tok (slika 23). Ta izvira iz elektronov in pozitivno nabitih ionov, nastalih v plamenu (vodik/zrak) med izgorevanjem organskih snovi (ogljika), ki jih vsebuje merjena raztopina. Kot nosilni plin se uporablja vodik ali je le-ta primešan drugemu nosilnemu plinu. Plin izhaja iz ozke šobe, ki je pri eni vrsti instrumentov priključena na negativni pol. Nasproti je platinska žica, ki je priključena na pozitivni pol. Potencialna razlika, ki jo priključimo na gorilnik in žico, je med 200 in 300 V. Kadar zgori vodik v zraku, nastaja relativno malo ionov. Na galvanometru bomo opazili majhen odklon. Kadar je nosilnemu plinu primešana organska spojina, se močno poveča množina ionov, ne glede na to, ali je substanca gorljiva ali ne. Mehanizem nastanka ionov predstavlja reakcija: H2 + O2 + Organska substanca → CO2 + H2O + e- + (ioni)+ + (ioni)- e- + (ioni)- → tok Dokler iz kolone prihaja samo nosilni plin, je ionski tok nizek in konstanten. Ko se iz kolone eluira še komponenta (organska snov), ionski tok močno naraste, je sorazmeren z množino snovi v merjeni raztopini in ga je možno določiti. FID detektor deluje pri temperaturah od 200 do 400 °C, kar preprečuje kondenzacijo vode, ki nastaja pri gorenju, kakor tudi kondenzacijo organskih snovi z višjim vreliščem. FID je destruktiven detektor - vzorec razgradi. 10. vaja: Plinska kromatografija 75. Občutljivost detektorja je visoka in znaša do 10-12 g. Ker FID ni občutljiv na vrsto plinov (CO, CO2, SO2, NO, NO2, NH3), je zelo primeren za analizo organskega onesnaženja v zraku. Slika 23: Shema plamensko-ionizacijskega detektorja (FID). Vir: lasten. 76 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Toplotno prevodni detektor (TCD) je univerzalen in nedestruktiven detektor (vzorec se ne razgradi, slika 24). Zgrajen je iz celice, v kateri je žička, električno segreta na visoko temperaturo, s konstantno električno močjo. Žička oddaja toploto, toplotni tok, ki je ves čas konstanten, potuje k stenam. Temperatura žičke je odvisna od termične prevodnosti plinov v okolju. Ko se spremeni termična prevodnost, se spremeni temperatura žičke, spremeni se upornost žičke. Na osnovi tega pojava nastane signal. Ta detektor se uporablja za analizo zemeljskega plina, za določanje vodika, tudi za analizo jamskih plinov (metan, ogljikov dioksid). Za optimalno delovanje moramo poznati toplotno prevodnost snovi (največjo ima H2, potem He, Ne, Kr, Ar). Detektor uporablja za delovanje nosilni plin (npr. za določanje vodika je nosilni plin dušik). Razlika v termični prevodnosti med nosilnim plinom in snovjo, ki jo določamo, mora biti velika. Občutljivost detektorja je relativno slaba (nizka) 10-8 g, zato ni primeren za analizo sledov. Slika 24: Shema toplotno prevodnega detektorja (TCD). Vir: lasten. 10. vaja: Plinska kromatografija 77. Termoionski detektor (TID) je podoben FID-u; ionizira le atome fosforja oziroma dušika, električno ogrevan element je aluminijev cilinder, prekrit z rubidijevo soljo. Manj ko je prisotnega plina, nižja je temperatura. Ionizacijo pospešimo z rubijevo soljo, ki je vir elektronov. Ta povzroča nastanek ionov, zaradi katerih lahko izmerimo tok. Uporaben je za analizo pesticidov (dušikove in fosforjeve spojine). Slika 25: Shema termoionskega detektorja (TID). Vir: lasten. V detektorju na zajetje elektronov (ECD) eluent iz kolone vodimo preko dveh elektrod, od katerih ima ena nanešen radioaktiven izotop, ki emitira elektrone (β sevalec, npr. Ni63). Ti visokoenergijski elektroni povzročijo po trkih z nosilnim plinom (N2) nastanek plazme (ioni, elektroni, radikali → ionizacija nosilnega plina). Z izbiro ustreznega potenciala dobimo konstanten tok, ki predstavlja bazno linijo. Ko se iz kolone eluira elektrofilna spojina, ki veže elektrone, pride do zajetja elektronov, kar povzroči negativen signal (tok se zmanjša). Le-ta je sorazmeren množini eluirane komponente. Take so npr. halogenirane spojine (predvsem poliklorirane, pesticidi), kjer pozicija in število halogenov v spojini odločata o signalu. Ostale elektronegativne skupine, ki jih lahko merimo, so peroksidi, nitroskupine, kinoni, itd. Da dosežemo najnižjo mejo zaznavnosti (0,1 pg/sek), moramo iz nosilnega plina odstraniti sledove kisika in vode. ECD detektor je občutljiv na sledove halogenov v vzorcih, koncentracijsko območje zaznave je 10-9 g (ppb) in tudi 10-12 g (ppt). Je nedestruktiven detektor saj vzorca ne razgradi (slika 26). 78 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE Slika 26: Shema detektorja na zajetje elektronov (ECD). Vir: lasten. Delo Standardno raztopino benzena (B), toluena (T) in ksilena (K) pripravimo tako, da odpipetiramo po 5 mL B, T, in K in redčimo do 20 mL z MeOH. 1 mL te raztopine ponovno razredčimo v 50 mL MeOH. Spet odvzamemo 1 mL in redčimo na 25 mL MeOH ter na kolono injiciramo 1 μL te zmesi. Iz ploščine vrhov B, T in K za standardno raztopino in vzorec določite, kakšna je koncentracija B, T in K v vzorcu v mg/L, če vzorec injiciramo pri enakih eksperimentalnih pogojih kot standardno raztopino. Zapišite vse pogoje GC/MS analiz ter določite, kako na ločbo vplivajo: − pretok nosilnega plina, − temperatura oz. temperaturni gradient, − način injiciranja, − ionizacija in nastavitve MS detektorja. Podatki za analizirane spojine: Spojina Molska masa [g/mol] Gostota [g/L] Čistota oz. ω [%] benzen 78 878 99,1 toluen 92 870 98,4 ksilen 106 860 96,9 10. vaja: Plinska kromatografija 79. Novi pojmi Plinska kromatografija, masna spektrometrija, ionizacija, plamensko ionizacijski detektor (FID), toplotno prevodni detektor (TCD), termo-ionizacijski detektor (TID), plamensko fotometrični detector (FPD), detektor na zajetje elektronov (ECD). 80 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE M. Islamčević Razboršek, M. Kolar Viri Fundamentals of Analytical Chemistry 9th edition, D.A. Skoog, D.M. West, F.J. Holler, S.R. Crouch, Brooks/Cole, Cengage Learning, 2014. Principles of Instrumental Analysis,Seventh Edition, D.A. Skoog, F.J. Holler, S.R. Crouch, Cengage Learning, 2018. Statistics and Chemometrics for Analytical Chemistry, J.N. Miller, J.C. Miller, Pearson Education Limited, 2005. Analytical Electrochemistry, J. Wang, Wiley 2006. Electrochemistry, C.H. Hamann, A. Hamnett, W. Vielstich, Wiley, 2007. Kemometija in obdelava eksperimentalnih podatkov, J. Zupan, Inštitut nove revije, Zavod za humanistiko in Kemijski inštitut Ljubljana, 2009. Principles of Instrumental Analysis, D.A. Skoog, F.J. Holler, T.A. Nieman, Thomson Learning ARC-Brooks/Cole, 2012. Uvod u analitičku kemiju I. dio, Nj. Radić, L. K. Modun, KT Sveučilište u Splitu, 2013. Analytical Chemistry, G.D. Christian, P.K. Dasgupta, K.A. Schug, Wiley 2014. Modern Analytical Chemistry, D. Harvey, McGraw-Hill Companies, 2000. Chemical Analysis, Modern Instrumentation Methods and Techniques, F. Rouessac, A. Rouessac, Wiley, 2000. Modern Practise of Gas Chromatography, R. L. Grob, E. F. Barry, Wiley, 2004. Encyclopedia of Chromatography, J. Cazes, Marcel Dekker, 2004. 82 ANALIZNA KEMIJA II IN INDUSTRIJSKA ANALIZA: NAVODILA ZA VAJE ANALIZNA KEMIJA II IN DOI https://doi.org/ 10.18690/um.fkkt.4.2023 INDUSTRIJSKA ANALIZA: ISBN NAVODILA ZA VAJE J 978-961-286-789-8 MAŠA ISLAMČEVIĆ RAZBORŠEK,1 MITJA KOLAR2 1 Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Maribor, Slovenija masa.islamcevic@um.si 2 Univerza v Ljubljani, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo, Ljubljana, Slovenija mitja.kolar@fkkt.uni-lj.si Gradivo obsega navodila za sledeče vaje: potenciometrično titracijo Ključne besede: potenciometrija, H3PO4 z NaOH, potenciometrično določanje koncentracije bromidnih potenciometrična titracija, ionov, konduktometrične titracije, elektrogravimetrijo, konduktometrija, konduktometrična spektrofotometrično določitev železa, atomsko absorpcijsko titracija, spektroskopijo (AAS), atomsko emisijsko spektroskopijo (AES), elektrogravimetrija, spektrofotometrija, spektroskopsko določitev zmesi benzena in toluena, ionsko atomska absorpcijska kromatografijo in plinsko kromatografijo. Navodila za vaje so napisana spektroskopija, atomska emisijska spektroskopija, tako, da omogočajo študentom samostojno delo, saj so poleg samega ionska kromatografija, eksperimentalnega dela vključene tudi kratke teoretične osnove, ki so plinska kromatografija potrebne za samo razumevanje analizne metode, vključene so pa tudi skice in sheme instrumentov, kar omogoča študentu lažje razumevanje in delo v laboratoriju. Struktura gradiva je zasnovana tako, da vodi bralca od namena dela preko osnov do praktičnega eksperimentiranja in na koncu do zbranih novih pojmov, ki so v veliko pomoč pri študiju in pripravi na preverjanje znanja. Navodilom so dodana tudi navodila za varno delo v laboratoriju, pregled simbolov nevarnih snovi, napotki za prvo pomoč, inventarni list in izbrani viri s področja analizne kemije. DOI https://doi.org/ ANALYTICAL CHEMISTRY II AND 10.18690/um.fkkta.4.2023 INDUSTRIAL ANALYSIS: ISBN 978-961-286-789-8 EXERCISE INSTRUCTIONS MAŠA ISLAMČEVIĆ RAZBORŠEK,1 MITJA KOLAR2 1 University of Maribor, Faculty of Chemistry and Chemical Engineering, Maribor, Slovenia masa.islamcevic@um.si 2 University of Ljubljana, Faculty of Chemistry and Chemical Engineering, Ljubljana, Slovenia mitja.kolar@fkkt.uni-lj.si Keywords: The material contains instructions for the following exercises: potentiometry, potentiometric titration, potentiometric titration of H3PO4 with NaOH, potentiometric conductometry, determination of the concentration of bromide ions, conductometric conductometric titrations, electrogravimetry, spectrophotometric determination of titration, electrogravimetry, iron, atomic absorption spectroscopy (AAS), atomic emission spectrophotometry, spectroscopy (AES), spectroscopic determination of a benzene-atomic absorption spectroscopy, atomic toluene mixture, ion chromatography, and gas chromatography. The emission spectroscopy, instructions for the exercises are written in such a way as to enable ion chromatography, the student to work independently, since, in addition to the actual gas chromatography experimental work, brief theoretical principles necessary for understanding the analytical method itself are included, and sketches and diagrams of the apparatus are also included, thus facilitating the student's understanding of the work. in the laboratory. The structure of the material is designed to guide the reader from the purpose of the work, through the basics, to practical experiments, and final y to the new concepts collected, which are of great help in studying and preparing for the knowledge test. Instructions for working safely in the laboratory, an overview of hazardous material symbols, first aid instructions, an inventory list, and selected sources from the field of chemical analysis have also been added to the instructions. Document Outline Namesto uvoda Potenciometrična titracija H3PO4 z NaOH Potenciometrično določanje koncentracije Br- ionov Teoretske osnove Konduktometrične titracije Elektrogravimetrija Spektrofotometrična določitev železa Teoretske osnove Atomska absorpcijska spektroskopija (AAS) Atomska emisijska spektroskopija (AES) Spektroskopska določitev zmesi benzena in toluena Ionska kromatografija Plinska kromatografija Viri Blank Page