Лабораторна робота № 4.1. Визначення калію та натрію в мінеральних водах методом полум'яно-емісійної спектрометрії.
Мета роботи: 1. Визначити масову частку лужних металів у мінеральній воді.
2. Здобути практичні навички аналізу з використанням полум’яного аналізатора рідин.
1. Загальні відомості
Властивістю, що вимірюють у методі полум’яної спектрометрії, є інтенсивність випромінювання світла в атомізованих хімічних елементах, збуджених у полум’ї. Аналізований розчин стиснутим повітрям через розпилювач подають як аерозоль у полум’я пальника. Залежно від складу горючої суміші температура полум’я досягає 1800-3100 оС. При такій температурі молекули термічно дисоціюють на вільні атоми, що збуджуються і випромінюють світло. Випромінювання виділяють оптичним фільтром або монохроматором і спрямовують на фотоелемент або фотоелектронний помножувач, що перетворює світловий сигнал в електричний. Фотострум підсилюють і вимірюють гальванометром або реєструють самописцем. Величина фотоструму пропорційна інтенсивності випромінювання досліджуваного елемента, а отже, його концентрації в розчині.
2. Стандартні розчини
Їх готують з препаратів кваліфікації «хімічно чистий» (хч) або «чистий для аналізу» (чда).
Розчин А (з масовою концентрацією калію 0,5 г/л): наважку хлориду калію масою (0,93355 ± 0,0002) г розчиняють у мірній колбі місткістю 1 л, доводять дистильованою водою до мітки і перемішують.
Розчин А (з масовою концентрацією натрію 0,5 г/л): наважку хлориду натрію масою (1,2708 ± 0,0002) г розчиняють у мірній колбі місткістю 1 л, доводять дистильованою водою до мітки і перемішують.
Спектроскопічний буфер для визначення калію: готують насичений розчин, додаючи у зазначеному порядку CaCl2, NaCl і МgCl2.
Спектроскопічний буфер для визначення натрію. Готують насичений розчин суміші солей, розчиняючи їх у такій послідовності: CaCl2, KCl, MgCl2.
3. Підготовка полум’яного фотометра до роботи градуювання
3.1 Підготувати комплект стандартних і робочих розчинів для виконання даної роботи.
3.2 Увімкнути компресор і встановити тиск 0,6-0,8 атм. Потім вімкнути горючий газ і відрегулювати тиск повітря, яке визначається висотою чіткого внутрішнього конуса полум'я синьо-зеленого кольору.
3.3 Встановити світлофільтр, що виділяє випромінювання досліджуваного елемента (Na або K).
3.4 Прогріти прилад протягом 30 хв.
3.5 Розпилюючи дистильовану воду, встановити стрілку амперметра на нуль шкали.
3.6 Розпилюючи стандартний розчин з максимальною концентрацією елемента, встановити стрілку приладу ручкою «Чутливість» на поділку «100». Вдруге перевірити нульове положення і максимальний відлік приладу і, якщо треба, відкорегувати реєструючий пристрій.
Розчини для градуювання приладу: в мірні колби місткістю 100 мл вводять піпеткою 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5 мл відповідного розчину А, доводять до мітки дистильованою водою і ретельно перемішують. Одержані розчини містять 0,5.10-2; 1,0.10-2; 1,5.10-2; 2,0.10-2; 2,5.10-2 г/л відповідно калію або натрію. До 100 мл кожного розчину додають по 5 мл спектроскопічного буферу для калію або натрію. Вимірюють інтенсивність випромінювання для цих розчинів, 3-5 разів. Перед кожним вимірюванням промивають розпилювач водою.
За даними будують градуювальний графік у координатах: абсциса – значення концентрацій стандартних розчинів (С); ордината – відповідні показання приладу (А). Масштаб вибираємо так, щоб графік проходив через початок координат під кутом, близьким до 45о.
4. Аналіз зразка води
Проби для визначення калію і натрію готують окремо.
Відбирають 100 мл проби і додають 5 мл спектроскопічного буферу для калію або натрію, а потім вимірюють інтенсивність випромінювання досліджуваного розчину. За відповідним градуювальним графіком, використовуючи дані вимірювань (Ах), знаходять концентрацію елемента (cх).
4.3. Атомно-абсорбційна спектрометрія
Метод атомно-абсорбційної спектрометрії оснований на поглинанні світла вільними атомами досліджуваного елемента, які виникають при попаданні аналізованого розчину в полум'я польника при резонансній довжині хвилі.
Суть методу: світло від спектральної лампи проходить атомізатор спектрофотометра, де частково поглинається вільними атомами і потрапляє у монохроматор, що виділяє випромінювання резонансної довжини хвилі. Це випромінювання перетворюють в електричний сигнал, що підсилюють і реєструють прилад. Метод дозволяє визначити більше 75 елементів з високою селективністю і низькою межею визначення: 10-10-10-12 г. В оптимальній області відносна похибка становить 0,5-3 %.
Залежність між концентрацією атомів елемента, що визначається, і сигналом описує закон Бугера-Ламберта-Бера:
A = lg (I0 / I) = K0 c l,
де А – атомне світлопоглинання;
I0 – інтенсивність аналітичної лінії у падаючому світлі;
I – інтенсивність аналітичної лінії у вихідному світлі;
К0 – коефіцієнт, що характеризує поглинання аналітичної
лінії;
c – концентрація елемента що аналізують;
l – довжина поглинаючого шару в атомізаторі.
Найзручнішим і стабільним засобом атомізації рідинних проб є полум’я. Використовують полум’я, температура якого коливається від 2000 до 3000 К. Найпоширенішою є суміш ацетилен-повітря зі стехіометричним співвідношенням палива й окислювача. Визначаючи деякі елементи, використовують збагачене полум’я. Наприклад, визначити хром можливо тільки в сильно збагаченому, жовтому полум’ї ацетилен-повітря. Аналізуючи інші елементи, можна використовувати збіднене полум’я як більш високотемпературне.
Полум’я динітроксид-ацетилен використовують, визначаючи елементи, що утворюють термостійкі сполуки, наприклад, алюміній, бор, вольфрам, барій та ін.
Атомно-абсорбційний метод є високоселективним. Це означає, що досліджуваний елемент можна відкрити в присутності інших елементів у будь-яких матеріалах.
Лабораторна робота № 4.2. Атомно-абсорбційне визначення міді, цинку та марганцю в соках і водах.
Мета роботи: 1. Ознайомитися з основними складовими частинами методу атомно-абсорбціонної спектроскопії.
2. Проаналізувати фруктові соки, або столові і мінеральні води на домішки важких металів.
1. Загальні відомості
Метод ґрунтується на вимірюванні абсорбції світла вільними атомами міді (цинку, марганцю), які утворюються при введенні
досліджуванного розчину в полум'я суміші ацетилену з повітрям або пропану з повітрям при довжині хвилі 324,7 нм (213,9 нм; 279,5 нм).
2. Апаратура, реактиви, розчини
Атомно-абсорбційний спектрофотометр;
Лампа з порожнистим мідним (цинковим, марганцевим) катодом;
Ацетилен за ДСТУ 5457-75; Компресор повітряний;
Мідь металева;
Цинк металевий;
Марганець;
Кислота азотна, хч, за ДСТУ 4461-77;
Стандартні розчини з вмістом міді, цинку, марганцю 1 г/л;
Кислота азотна з масовою часткою 1,5 %;
Піпетки на 1,0; 5,0; 10,0 мл;
Мірні колби на 100 мл;
Скляні стаканчики.
Стандартні розчини для атомно-абсорбційних визначень готують, розчинюючи метали або їх солі відомого складу в кислотах або воді. Із концентрованих стандартних розчинів (1 г/л) готують менш концентровані, розводячи аліквоти азотною кислотою з масовою часткою 1,5 %. Цим зберігаємо стандартні розчини довший час, бо підкислення до рН = 1 запобігає гідролізові іонів металів.
Градуювальні розчини
Розчин А: 10 мл розчину, що містить 1 г/л міді (або цинку чи марганцю), переносять у мірну колбу на 100 мл, доводять до мітки дистильованою водою з масовою часткою HNO3 1,5 %, ретельно премішують. Масова концентрація розчину А − 0,1 мг/мл міді (або цинку чи марганцю).
Розчин Б: 1 мл розчину, що містить 1 г/л міді (або цинку чи марганцю), переносять у мірну колбу на 100 мл, доводять до мітки дистильованою водою з масовою часткою HNO3 1,5 %, ретельно перемішують. Масова концентрація розчину Б − 0,01 мг/мл міді (або цинку чи марганцю).
Щоб побудувати градуювальний графік, у 5 мірних колб місткістю 100 мл вносять відповідно 1,3; 3,0; 5,0; 7,0; 10,0 мл розчину Б, доводять до мітки розчином HNO3 з масовою часткою 1,5 %, ретельно перемішують. Масові концентрації цих розчинів відповідно 1.10‑4; 3.10-4; 5.10-4; 7.10-4; 10.10-4 г/л міді (або цинку чи марганцю).
Щоб приготувати розчин з масовою концентрацією іонів металу 30.10-4 г/л, 3 мл розчину А переносять в мірну колбу місткістю 100 мл, доводять до мітки розчином HNO3 з масовою часткою 1,5 %, ретельно перемішують.
Увімкнувши лампу з порожнистим мідним (або цинковим чи марганцевим) катодом, на монохроматорі атомно-абсорбційного спектрометра виводять аналітичну лінію міді (цинку, марганцю) 324,7 нм (213,9 нм; 279,5 нм). Вимірюють світлопоглинання стандартних розчинів.
Досліджуванні розчини упарюють зі 100 мл до 10 мл.
Метод градуювального графіка
Вважають, що прилад градуйовано, якщо для нього встановлено функціональний зв'язок між концентрацією аналізованого елемента у стандартних розчинах і показаннями приладу. Прилад градуюють після прогрівання спектрофотометра протягом 30 хв. Стандартні розчини вживають у порядку зросту концентрацій, вводять їх у полум'я і фіксують показання приладу. Ці операції виконують з усіма приготовленими розчинами, по три рази з кожним, і обчислюють середнє арифметичне трьох вимірювань. Рекомендуємо градуювальні вимірювання здійснювати на початку, в середині і в кінці аналізу. За одержаними даними будують градуювальний графік: по осі абсцис відкладають концентрації стандартних розчинів, сі, а по осі ординат – відповідні показання приладу, Аі.
Щоб визначити невідому концентрацію, сх, розчин вводять у атомізатор і після 10-15 с реєструють показання приладу Ах. Його відкладають на осі ординат градуювального графіка, і на осі абсцис знаходять відповідне значення концентрації, сх, яку визначають. Градуювальний графік має проходити через початок координат і, щоб відлік за ним був точнішим, під кутом, близьким до 45 о.
Звичайно, визначаючи концентрації досліджуваного елемента, враховуємо, що розчин упарювали, концентруючи його в 10 разів.