1 Zastosowane ekstrakcji w punkcie zmętnienia do oznaczania metali ciężkich w wodzie Marcin Broniatowski Spis zagadnień I. Podstawy spektrofotometrii – przypomnienie 2 II. Surfaktanty 4 II.1. Wiązanie wodorowe 4 II.2. Struktura łańcucha węglowodorowego 4 II.3. Związki powierzchniowo czynne 5 II.4. Podział surfaktantów 6 II.5. Surfaktanty w roztworach wodnych 7 II.6. Temperatura Kraffta vs punkt zmętnienia 9 II.7. Właściwości łańcucha polietoksylowego 10 II.8. Struktura PEO a punkt zmętnienia 11 II.9. Solubilizacja 11 III. Ekstrakcja metali ciężkich z próbek środowiskowych 13 III.1. Zastosowanie roztworów micelarnych w spektrofotometrycznej detekcji metali 14 III.2. Metoda ekstrakcji w punkcie zmętnienia 16 III.3. Trytony 17 III.4. Chelatory w metodzie CPE, analizowane metale 18 III.5. Ditizon 19 IV. Bibliografia 23 V. Wykonanie ćwiczenia 24 V.1. Spektrofotometryczny pomiar w roztworach micelarnych 25 V.2. Ekstrakcja w punkcie zmętnienia 26 VI. Przygotowanie sprawozdania/opracowanie wyników 28 Zagadnienia do kolokwium: podstawy spektrofotometrii, efekt hydrofobowy, surfaktanty: budowa, klasyfikacja, solubilizacja, jony metali w roztworach micelarnych, rozpuszczalność surfaktantów w wodzie – temperatura Kraffta, punkt zmętnienia, właściwości łańcuchów polietoksylowych i surfaktantów z takim fragmentem, ekstrakcja w punkcie zmętnienia, właściwości ditizonu i jego zastosowanie do analizy metali śladowych.
26
Embed
Zastosowane ekstrakcji w punkcie zmętnienia do oznaczania ...1 Zastosowane ekstrakcji w punkcie zmętnienia do oznaczania metali ciężkich w wodzie Marcin Broniatowski Spis zagadnień
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Zastosowane ekstrakcji w punkcie zmętnienia do oznaczania
metali ciężkich w wodzie
Marcin Broniatowski
Spis zagadnień
I. Podstawy spektrofotometrii – przypomnienie 2
II. Surfaktanty 4
II.1. Wiązanie wodorowe 4
II.2. Struktura łańcucha węglowodorowego 4
II.3. Związki powierzchniowo czynne 5
II.4. Podział surfaktantów 6
II.5. Surfaktanty w roztworach wodnych 7
II.6. Temperatura Kraffta vs punkt zmętnienia 9
II.7. Właściwości łańcucha polietoksylowego 10
II.8. Struktura PEO a punkt zmętnienia 11
II.9. Solubilizacja 11
III. Ekstrakcja metali ciężkich z próbek środowiskowych 13
III.1. Zastosowanie roztworów micelarnych w spektrofotometrycznej detekcji metali 14
III.2. Metoda ekstrakcji w punkcie zmętnienia 16
III.3. Trytony 17
III.4. Chelatory w metodzie CPE, analizowane metale 18
III.5. Ditizon 19
IV. Bibliografia 23
V. Wykonanie ćwiczenia 24
V.1. Spektrofotometryczny pomiar w roztworach micelarnych 25
V.2. Ekstrakcja w punkcie zmętnienia 26
VI. Przygotowanie sprawozdania/opracowanie wyników 28
Zagadnienia do kolokwium: podstawy spektrofotometrii, efekt hydrofobowy, surfaktanty:
budowa, klasyfikacja, solubilizacja, jony metali w roztworach micelarnych, rozpuszczalność
surfaktantów w wodzie – temperatura Kraffta, punkt zmętnienia, właściwości łańcuchów
polietoksylowych i surfaktantów z takim fragmentem, ekstrakcja w punkcie zmętnienia,
właściwości ditizonu i jego zastosowanie do analizy metali śladowych.
2
I. Podstawy spektrofotometrii – przypomnienie
Światło widzialne to fala elektromagnetyczna o długości 380 do 770 nm: Poniżej w tabeli 1
podano zależność pomiędzy długością i częstotliwością fali elektromagnetycznej a barwą
promienia świetlnego.
Tabela 1. Zależność pomiędzy kolorem promienia świetlnego a długością fali [1]
Światło białe emitowane przez ciała ogrzane do wysokiej temperatury może być rozdzielone
na barwy składowe za pomocą pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej. Fala świetlna przechodząc z
ośrodka o mniejszym współczynniku załamania (np. powietrze) do ośrodka o większym
współczynniku załamania (np. roztwór wodny) zgodnie z prawami optyki ulega obiciu i
załamaniu. Oko ludzkie widzi przedmioty odbierając promieniowanie od nich odbite.
Przedmioty te mają określoną barwę i jest to tzw. barwa dopełniająca do tej, którą dane ciało
pochłonęło.. Kolory pochłaniany i odbity to tzw. kolory dopełniające się. Zależność pomiędzy
nimi podaje gwiazda kolorów dopełniających się (rys. 1).
3
Rys. 1. Gwiazda kolorów dopełniających się [2]
Jeżeli promień światła o intensywności I0 pada na ciało przeźroczyste, np. kuwetę zawierającą
barwny roztwór, to opuszczając tą kuwetę może mieć taką samą intensywność (I0) lub też
mniejszą I. Intensywność jest mniejsza, jeżeli obiekt pochłania częściowo promieniowanie o
danej długości. Miarą pochłaniania światła przez ośrodek przejrzysty jest absorbancja A
zdefiniowana następującym wzorem: A = logI0/I.
Zgodnie z tym wzorem, jeżeli A = 1, to znaczy, że intensywność światła po przejściu przez
kuwetę spadła dziesięciokrotnie, zaś A = 0, gdy roztwór nie pochłania światła o danej
długości.. Dla roztworów substancji barwnych, w pewnych określonych przedziałach stężeń
tych substancji spełnione jest prawo Lamberta-Beera [3]:
A = εlc,
Gdzie ε – współczynnik ekstynkcji molowej, l – długość drogi optycznej, c – stężenie
substancji absorbującej światło.
Substancje barwne najsilniej absorbują światło o ściśle określonej długości, słabiej światło o
innych długościach fali. Zależność absorbancji (A) od długości fali (λ) nazywamy widmem.
4
II Surfaktanty
II. 1. Wiązanie wodorowe
Woda, czyli tlenek wodoru H2O pozostaje cieczą w szerokim zakresie temperatur od 0 do 100
oC. W odróżnieniu od niej inne wodorki typu H2X: H2S, H2Se i H2Te pozostają gazami w
temperaturze pokojowej. Swoje niezwykle właściwości woda zawdzięcza sieci wiązań
wodorowych utworzonych między jej cząsteczkami. Wiązanie wodorowe to specyficzny
rodzaj oddziaływania międzycząsteczkowego, który może wystąpić między cząsteczkami,
gdy spełnione są następujące warunki [4]:
1) Atom wodoru przyłączony jest do pierwiastka o wysokiej elektroujemności: F (4,0); O
(3,5), N (3,1)
2) Atom o wysokiej elektroujemności posiada wolne pary elektronowe: F (3 pary), O (2 pary)
N (1 para).
Cząsteczka wody spełnia powyższe warunki, ponieważ posiada 2 atomy wodoru
przyłączone do wysoko elektroujemnego atomu tlenu, który posiada dwie wolne pary
elektronowe. Jak łatwo policzyć jedna cząsteczka wody uwspólnia 2 atomy wodoru i 2 pary
elektronowe, przez co tworzy 4 wiązania wodorowe z 4 innymi cząsteczkami wody. W
związku z hybrydyzacją sp3 centralnego atomu tlenu wiązania te rozchodzą się do naroży
tetraedru. Tworzenie 4 wiązań wodorowych przez każdą cząsteczkę wody prowadzi do
powstania ogromnej przestrzennej sieci wiązań wodorowych, która odpowiada za to, że woda
jest cieczą w temperaturze pokojowej i że przedział ciekłości tej substancji jest tak szeroki.
II.2. Struktura łańcucha węglowodorowego
Nasycony łańcuch alkanowy to długi ciąg grup metylenowych CH2 zakończony w pozycjach
terminalnych grupami metylowymi CH3.
CH3CH2
CH2CH2
CH2CH2
CH2CH2
CH2CH2
CH2CH2
CH2CH2
CH2CH2
CH2CH3
Rys. 2. Łańcuch oktadekanu
5
Rysując węglowodory łańcuchowe i pierścieniowe często korzystamy ze wzorów
kreskowych, jak na powyższym rysunku. W takim wzorze w każdym wierzchołku
(załamaniu) jest atom węgla. Pamiętamy o tym, że węgiel jest zawsze czterowartościowy,
czyli przy każdym atomie węgla we wzorach kreskowych znajduje się tyle atomów wodoru,
by warunek ten był spełniony. Cząsteczka oktadekanu na rys. 2 została przedstawiona w
postaci rozciągniętego zygzaka. Jest to tzw. konformacja all-trans. Z taką konformacją
spotykamy się w kryształach alkanów, czy w ściśle uporządkowanych monowarstwach. W
fazie ciekłej (stopione alkany) lub w roztworach cząsteczki alkanów zostają „połamane”.
Dochodzi do rotacji wzdłuż niektórych wiązań CH2-CH2 i prosty łańcuch ulega zgięciu.
Miejsce, w którym doszło do zgięcia nazywamy defektem gauche.
Rys. 3. Łańcuch oktadekanu z zaznaczonymi defektami typu gauche.
Dla cząsteczki typu R-(CH2)n-CH3 w konformacji all-trans długość łańcucha
węglowodorowego można policzyć ze wzoru Tanforda: l = 1,265n + 1,5 (Å) [5]. Łańcuch
węglowodorowy obraca się dookoła własnej osi, czyli zakreśla sobą walec obrotowy. Pole
powierzchni przekroju (podstawy) tego walca to około 19 Å2, zaś jego długość wynika z
liczby atomów węgla w łańcuchu. Czyli „niepołamana” cząsteczka alkanu jest długim
walcem o małej powierzchni przekroju. Tego typu walec nazywamy prętem, a opisywane tu
przybliżenie nazywane jest w literaturze przybliżeniem „sztywnego pręta”. Ma ono sens tylko
wtedy, gdy wykluczymy obecność defektów gauche.
II.3. Związki powierzchniowo czynne
Związki powierzchniowo czynne (surface active agents = surfaktanty) to cząsteczki o
budowie blokowej. Posiadają fragment podobny do struktury rozpuszczalnika – fragment
liofilowy i fragment zaburzający strukturę rozpuszczalnika – fragment liofobowy [6].
Ponieważ najczęściej mamy do czynienia z roztworami wodnymi fragment liofillowy
nazywamy hydrofilowym. Fragment ten jest podobny do wody, a więc podobnie jak
cząsteczka wody posiada trwały moment dipolowy, czyli jest polarny. Fragment ten jest
6
zwykle znacznie krótszy od części hydrofobowej, ale zwykle ma większy przekrój, dlatego
też fragment hydrofilowy w surfaktantach nazywany jest głową polarną. Fragmentem
liofobowym = hydrofobowym jest zwykle długi łańcuch węglowodorowy, który nazywamy
ogonem hydrofobowym.
II.4. Podział surfaktantów
Surfaktanty dzieli się przede wszystkim ze względu na ładunek głowy polarnej. Możemy
mieć tu 4 przypadki: na głowie zlokalizowany jest ładunek ujemny – surfaktanty anionowe,
na głowie zlokalizowany jest ładunek dodatni – surfaktanty kationowe, na głowie
zlokalizowane są ładunek ujemny i dodatni rozdzielone niewielkim łącznikiem – surfaktanty
amfoteryczne, na głowie nie ma ładunku – surfaktanty niejonowe. Poniżej przedstawiono
przykłady najważniejszych grup surfaktantów.
S
O
O
O-
n
O
O-
n
OS
O
O
O-
n
N+
n
N+
n
N+ O
O-
n
N+
S
O
O
O-
n
OO
H
n
OO
H
n n
HO O
OH
x y z
Surfaktanty anionowe
LAS - liniowe sulfoniany alkilo-benzenowe
Mydła
Siarczany alkilowe
Surfaktanty kationowe
Sole alkilotrimetyloamoniowe
Sole alkilopirydyniowe
Surfaktanty amfoteryczne
Alkilobetainy
Alkilosulfobetainy
Surfaktanty niejonowe
Etoksylowane alkilofenole
Etoksylowane alkohole alifatyczne
Polimery blokowe typu PEO-PPO-PEO
Rys. 4. Przykłady najczęściej produkowanych i stosowanych surfaktantów