OKTATÁSI SEGÉDLET a
Környezetmérnöki méréstechnika, monitoring II. vagy Környezeti analízis II. c. tantárgyhoz kapcsolódó laboratóriumi gyakorlat feladataihoz
Nappali és levelező tagozatos környezetmérnök (BSc) szakos hallgatók számára
Készítette: Dr. Bodnár Ildikó főiskolai tanár
DE-MK, Környezet- és Vegyészmérnöki Tanszék 2004-2014.
TARTALOMJEGYZÉK
KÖRNYEZETI ANALÍZIS II. GYAKORLAT - NAPPALI TAGOZAT ................................................................................................................................................................. 3 LABORATÓRIUMI MUNKAVÉDELMI ELŐÍRÁSOK ........................................................................................................................................................................................... 4
A GYAKORLATOK RÉSZLETES LEÍRÁSA ............................................................................................................................................................................................................. 8 KLORID-ION MEGHATÁROZÁSA SZENNYVÍZBEN KONDUKTOMETRIÁS MÓDSZERREL (KDM) .................................................................................................. 9 KÖRNYEZETI MINTA VAS (II)-TARTALMÁNAK MEGHATÁROZÁSA FOTOMETRIÁSAN (VFM) .................................................................................................... 17 SZALICILSAV KONCENTRÁCIÓJÁNAK MEGHATÁROZÁSA FOTOMETRIÁSAN (SFM) ..................................................................................................................... 22 VÍZMINTÁK VIZSGÁLATA IONKROMATOGRÁFIÁSAN (IC) ........................................................................................................................................................................ 28 KÖRNYEZETI MINTA ÖSSZES SZERVES SZÉNTARTALMÁNAK MÉRÉSE (TOC) ................................................................................................................................. 41 1. MELLÉKLET .......................................................................................................................................................................................... 46 2. MELLÉKLET .......................................................................................................................................................................................... 49
2
Környezetmérnöki méréstechnika, monitoring II. vagy Környezeti analízis II. gyakorlat - NAPPALI TAGOZAT Általános tudnivalók: Heti óraszám: 1 óra gyakorlat, 14 hét x 1 óra, összesen: 14 óra. Tömbösítve 5 órás gyakorlatban 3 héten át csoportbontásban (~20 fő/csoport). A gyakorlathoz a hallgatónak gondoskodnia kell az alábbi eszközökről: Köpeny, vegyszeres kanál, alkoholos filctoll, számológép, jegyzőkönyv, törlőruha, 1 tekercs papírtörlő, gumikesztyű, milliméterpapír. Az oktatási segédlet felépítése: Ezen jegyzet rövid laboratóriumi munkavédelmi előírások és mintajegyzőkönyv után hetenként az alábbi bontásban tartalmazza a gyakorlat elvégzéséhez szükséges ismereteket: 1. A meghatározás elméleti háttere 2. A feladatok leírása (receptúrális) 3. Mintaszámítások (vagy kiértékelés) A gyakorlat tematikája: Klorid-ion meghatározása szennyvízben konduktometriás módszerrel (KDM) Környezeti minta vas-tartalmának meghatározása fotometriásan (VFM) Szalicilsav tartalom meghatározása fotometriásan (SFM) Vízminták vizsgálata ionkromatográfiásan (IC) Környezeti minta összes szerves széntartalmának mérése (TOC) (A személyre szóló heti beosztás a hirdetőn és a honlapon található meg!) Gyakorlathoz kapcsolódó, illetve felhasznált irodalom: Dr. Kőmíves József: Környezeti analitika, Műegyetemi kiadó, Budapest, 2000. Dr. Kőmíves József: Környezeti analitika gyakorlat, Műegyetemi kiadó, Budapest, 2000. Galbács Gábor – Galbács Zoltán – Sipos Pál: Műszeres analitikai kémiai gyakorlatok, JATEPress, 2008. Burger Kálmán: Az analitikai kémia alapjai, Semmelweis kiadó, Bp. 1999. A tárgy előadásanyaga A gyakorlat oktatója, időpontja, helye: Oktatók: Dr. Bodnár Ildikó főiskolai tanár, Izbékiné Szabolcsik Andrea PhD hallgató Beosztás és egyéb információk: lásd NEPTUN rendszer ill. www.eng.unideb.hu/bodnari A gyakorlat helye: DE MK, E218. Vízminőségvédelmi laboratórium A gyakorlatokon a megjelenés kötelező, hiányzást csak felmentés vagy orvosi igazolás esetén fogadunk el! Értékelés: Minden laboratóriumi gyakorlat előtt zárthelyi dolgozat formájában van számonkérés, az aznapi munkából. A zárthelyik érdemjegye, illetve a jegyzőkönyvekre kapott érdemjegy átlaga adja meg a gyakorlati jegyet. A labor elméleti zárthelyik súlyozottan számítanak, 3-ból 2 elégtelen labor zárthelyi dolgozati jegy esetén nincs aláírás! A gyakorlati jegy a félévközi jegy 1/3-a, illetve az aláírás feltétele. Aláírás megszerzésének feltétele: Minden gyakorlat előtt rövid zárthely dolgozat sikeres megírása. A laboratóriumi gyakorlatok elvégzése. A jegyzőkönyvek beadása és azok elfogadása.
3
Laboratóriumi munkavédelmi előírások Általános munka,- tűzvédelmi és rendészeti oktatási tematika hallgatók részére: A hallgató köteles: Egészsége és testi épsége érdekében a gyakorlati oktatáson a feladat ellátására alkalmas állapotban és ruházatban megjelenni. A feladat alkalmas állapot kizárja alkohol, kábítószer és gyógyszer – kivéve orvosi kezelés, betegség miatti szakorvos által felügyelt gyógyszerszedés – fogyasztását. A gyakorlati oktatás folyamán a hallgató csak olyan tevékenységet folytathat, amelyhez a gyakorlat vezetője hozzájárult, és a hallgató rendelkezik a feladat ellátásához szükséges munka és tűzvédelmi ismeretekkel. A gyakorlati oktatás folyamán a munkaterületen rendet és fegyelmet tartani. Védőfelszerelés használni. A gyakorlati oktatás folyamán a legkisebb sérülést, rosszullétet, megbetegedést köteles a gyakorlat vezetőjének azonnal jelenteni. A gyakorlati munka közben észlelt veszélyeket lehetősége szerint megszüntetni vagy ezirányú intézkedéseket tenni. Gyakorlati foglalkozás közben munkáját elvárható gondossággal, a munkájára vonatkozó szabályok, előírások és utasítások szerint végezni. Dohányozni csak a kijelölt dohányzóhelyeken szabad! A helyszínen és környékén (park, autóparkoló stb.) égő dohányneműt, cigarettacsikket, egyéb éghető anyagot – kivétel kihelyezett hulladékgyűjtőkbe – nem szabad eldobni. Hallgató társaival együttműködni és munkáját úgy végezni, hogy azzal más egészségét és testi épségét ne veszélyeztesse. A laboratórium területén (épület, szabad terek) található berendezések, eszközök, gépek állagát megóvni. Káresemény bekövetkezésekor a személyes felelősség megállapítása után az okozott kárt megtéríteni. A gyakorlatvezetők, témavezetők által ismertetett biztonsági szabályokat, utasításokat betartani (pl. labormunka). Hulladékot a kijelölt hulladéktárolókba eldobni. A laboratóriumban a hallgatóknak az alábbi biztonsági szabályokat kell ismerni és betartani:
Vegyszerekkel történő munkavégzés, gyakorlati oktatás folyamán védőköpeny használata kötelező. A laboratóriumban mindig rendet és tisztaságot kell tartani. A munkaasztalon, polcon, hűtőszekrényben tűz és robbanásveszélyes anyagok nem maradhatnak. A laboratóriumi edényzet, felszerelés, kiömlött vegyszer, a felhasznált anyag hulladékát, vagy az elhanyagolt, rossz állapotban lévő felszerelést, mint veszélyforrást meg kell szüntetni. Laboratóriumban tartozódóknak ismerniük kell elektromos főkapcsoló, vészkikapcsoló, víz, gázcsapok elzárási helyeit. Fűtőtestre könnyen gyulladó, éghető anyagot elhelyezni nem szabad.
4
A laboratóriumokban a munkavégzéssel kapcsolatos iratokat, technológiai utasításokat ki kell függeszteni vagy könnyen hozzáférhető helyen kell tartani (pl. biztonsági adatlap). Repedt, hibás üveg eszközökkel (kémcső, lombik stb.) nem szabad dolgozni. Maró, mérgező és robbanásveszélyes gázt, gőzt fejlesztő munkafolyamatot kizárólag elszívó fülkében szabad végezni. Nem szabad olyan elszívó vegyi fülkében dolgozni, amelynek elszívása rossz vagy nem működik, ablaküvege törött, tolóajtaját nem lehet lehúzni vagy felnyitott formájában rögzíteni. A laboratóriumi munkahelyen (asztal, fülke) csak olyan vegyszer üvegei tárolhatóak, melyeknek a végzett munka közben állandóan kéznél kell lenniük. Szerves oldószert, tömény savat, mérgező anyagot, valamint szerves oldószerrel szennyezett mosóanyagot a csatornahálózatba önteni tilos. A laborgyakorlatok előtt a gyakorlatot vezető oktató által elmondott munka,tűzvédelmi szabályokat betartani.
Az éghető folyadékokkal kapcsolatos tűzvédelmi szabályok:
A laboratóriumokban a kísérleti vegyi anyagokat, mérgeket csak az erre a célra rendszeresített robbanás biztos lemezszekrényben szabad elhelyezni. Mosóanyagból csak a munkavégzéshez szükséges mennyiséget szabad a helyszínen tartani.
Tűz esetén szükséges teendők 1.1. Tűzjelzés Abban az esetben, ha bármely hallgató, tüzet vagy annak közvetlen veszélyét észleli vagy ezekről tudomást szerez, azonnal jelentse: - a gyakorlat vezetőjének, - az helyszín legközelebbi portaszolgálatára, - telefon keresztül: 105 (Tűzoltóság központi száma) 1.2. A tűzjelzésnek tartalmaznia kell ◦ ◦ ◦ ◦ ◦
a tűzeset pontos helyét, a létesítmény címet (helység, utca,) a tűz kiterjedését, a tűzben részt vevő anyagok fajtáját, információt a veszélyeztetett személyekről, további veszélyhelyzet kialakulásának lehetőségét, a jelzést adó nevét és a használt telefon számát.
1.3. Kiürítés A tűz által érintett épületrészek kiürítését és oltását haladéktalanul meg kell kezdeni. A kiürítést az épületek körüli területekre, illetve a főépület belső udvarára – kivétel téli hónapok – szükséges végrehajtani. 1.4. Tűz esetén tanúsítandó magatartás Tűz esetén, a tűz jelzésében, továbbá tűzoltási tevékenységben, a mentési munkákban – amennyiben életveszéllyel nem jár – minden állampolgár köteles a tőle elvárható módon részt venni és az alábbiak szerint cselekedni:
5
A környezetében lévő embereket és a portaszolgálatot a tűz észlelését követően riasztani. Életveszély esetén kezdje meg a veszélyeztetett személyek mentését, elsősegélyben részesítését és biztonságba helyezését. Rendelkezésére álló tűzoltó készülékekkel próbálja a tűz terjedését megakadályozni és a tűz oltását végezni. A kiérkező tűzoltók számára minden tűzeseménnyel kapcsolatos információt rendelkezésre bocsátani – kiemelten a tűz helyére, kiterjedésére, emberélet veszélyezettségére vonatkozóan. Laboratóriumi tűz esetén a tennivalók sorrendje a következő: - emberélet mentése, - tűzjelzés, riasztás, kiürítés, - gázcsap elzárása, éghető anyag eltávolítása, - tűzoltás megkezdése. A balesetvédelmi oktatási anyag a munkavédelemről szóló 1993-ban elfogadott XCIII. törvény, a tűzvédelemről szóló 1996. XXXI. törvény és végrehajtási rendeletei alapján készült.
6
Jegyzőkönyv-minta: Ebben a félévben a jegyzőkönyveket adott feladathoz előre, otthon kell egyénileg elkészíteni, kézzel írva, az alábbi általános séma szerint: Név:…………………………
Évfolyam, Szak:………
Dátum:…........................
A gyakorlat címe 1. Feladat: A feladat rövid megfogalmazása
2. A meghatározás elméleti háttere: Rövid, kb.1-2 A4-es oldalnyi elméleti összefoglaló az adott feladathoz kapcsolódóan. 3. A meghatározás menete:
4. Mérési adatok: táblázatba foglalva
Reakcióegyenlet: ha van! 5. Az eredmény számítása (ha szükséges):
6. Eredmény: A végeredmény megadása egy mondatban! A grafikus kiértékeléseket mellékelje a jegyzőkönyvéhez.
7
A gyakorlatok részletes leírása
8
Klorid-ion meghatározása szennyvízben konduktometriás módszerrel (KDM) 1. A MEGHATÁROZÁS ELMÉLETI HÁTTERE: 1.1. CSAPADÉKOS TITRÁLÁSOK A csapadékos titrálásoknál olyan mérőoldattal titrálunk, amely a meghatározandó iont rosszul oldódó csapadék alakjában leválasztja. A csapadékos titrálások alapját olyan reakciók képezhetik amelyek: sztöchiometrikus összetételű csapadékot eredményeznek, gyorsan játszódnak le, biztosítják a mérendő komponens kvantitavív leválását az ekvivalenciapontban, végpontjuk jól jelezhető. A gyakorlatban leggyakrabban használt reakció, amely a fenti feltételeknek eleget tesz, az ezüst ionnak halogenidekkel és pszeudohalogenidekkel történő reakciója, melynek során oldhatatlan ezüst-sók képződnek. Ezen a reakción alapuló csapadékos titrálást argentometriának nevezzük. Az argentometria mérőoldata az ezüst-nitrát oldat. A módszer halogenidionok és pszeudohalogenidek meghatározására alkalmas. Ag+ + X– = AgX (X– = Cl–, Br–, I–, CN–, SCN–) A csapadék teljes leválasztásához szükséges mérőoldat mennyiségének megállapítása, azaz a végpont észlelése többféle módon történik. Közvetlen titrálásoknál kromátionnal (Mohr-féle végpontjelzés) vagy ún. adszorpciós indikátorokkal (Fajans-féle végpontjelzés) történhet. a.) Mohr-féle végpontjelzés: A kromátion az ezüstionnal vörösbarna színű ezüst-kromátcsapadékot képez. Mivel az ezüst-kromát oldhatósága nagyobb, mint az ezüsthalogenideké, a titrálás során előbb a halogenid-csapadék válik le, majd a mérőoldat feleslegének hatására indul meg az ezüst-kromát csapadék képződése, melynek vörösbarna színe jelzi a végpontot. Annak érdekében, hogy az ezüst-kromát valóban a végpontban, vagyis a halogenidion teljes leválása után képződjék fontos a kromátkoncentráció helyes megválasztása, ami az oldhatósági szorzatok ismeretében kiszámítható. b.) Fajans-féle végpontjelzés: Az adszorpciós indikátorok olyan festékanyagok, amelyek az ezüst-halogenid-csapadék felületére adszorbeálódnak, a végpontot az adszorbeálódott festék ezüstsójának színe (rózsaszín) jelzi. Mivel az indikátorok anionos formában képesek a csapadék felületére adszorbeálódni, ezért a savi disszociációs állandójuk határozza meg azt a pH-tartományt amelyben alkalmazhatók. A legnépszerűbb két adszorpciós indikátor közül a fluoreszcein pH>6,5 míg az eozin már pH>2 kémhatású oldatban jelzi a végpontot. A Fajans-féle végpontjelzés egyik hátránya, hogy az ezüst-halogenid csapadék a felületére adszorbeálódott indikátor hatására érzékennyé válik a fotokémiai redukcióra, vagyis fény hatására felületén ezüst-ionok válnak ki, ami a végpont észlelését bizonytalanná teszi. Ezért a titrálások során célszerű a közvetlen napfényt elkerülni.
9
c.) Volhard-féle eljárás: Visszaméréssel járó meghatározásoknál az indikátor a vas(III)ion. A mérendő halogenidionokat savas közegben feleslegben adagolt ezüstnitrát-mérőoldattal kvantitatíven leválasztjuk, majd az ezüstion feleslegét káliumtiocianát-, vagy ammónium-tiocianát-segédmérőoldattal vas(III)ionok jelenlétében visszatitráljuk. A titrálás végpontját a képződő vas(III)-tiocianát komplex vörösbarna színe jelzi, amely a tiocianát-mérőoldat egy csepp feleslegének hatására jelenik meg. d.) Műszeres végpontjelzés: A titrálás nyomonkövethető műszeres végpontjelzéssel is (pl. vezetőképesség mérés), melynek során a titrálás első fázisában (az egyenértékpontig), a csapadék leválásával egyidejűleg, a kloridionok helyett a valamivel kisebb mozgékonyságú nitrátionok jutnak az oldatba. Ezért a titrálás az egyenértékpontig terjedő szakaszában az oldat vezetőképessége gyakorlatilag állandó. Az egyenértékpont elérése után az ezüst-nitrát mérőoldat feleslegének hatására a vezetőképesség megnő. Az ezüst-nitrát mérőoldat készítése: közvetlen beméréssel készíthető analitikailag legtisztább minőségű ezüst-nitrátból. Ilyen készítmény hiányában a mérőoldat hatóértékét analitikai tisztaságú alkáli-halogenidekre (KCl, NaCl, KI) állítjuk be. Az ezüst-nitrát-mérőoldat hatóértékét korlátlan ideig megőrzi, ha jól lezárt üvegben, fénytől védve tároljuk. 1.2. KONDUKTOMETRIA (VEZETŐKÉPESSÉG MÉRÉS) A konduktometriás módszerrel egy oldat elektromos vezetőképességét mérjük. Az oldat ionkoncentrációja és vezetőképessége közötti összefüggés lehetőséget nyújt arra, hogy a meghatározzuk az oldat koncentrációját. Egy oldat vezetőképességét a benne lévő kationok és anionok okozzák. A tiszta víz vezetőképessége igen kicsi, hiszen benne az oxónium- és hidroxid-ionok koncentrációja kicsi. Ezzel szemben az elektrolitok oldatában a kationok és anionok már jelentős koncentrációban lehetnek jelen, így az oldat vezetőképessége is nagy. A vezetés kollektív sajátság, az összes ionra jellemző érték. A vezetőképesség érték a vizsgálandó oldat ion-koncentrációjára jellemző gyűjtőparaméter. Minél több sót, savat, vagy lúgot tartalmaz a vizsgálandó oldat, annál nagyobb a vezetőképessége.
1. ábra Vizes oldatok vezetőképesség tartományai
10
A konduktometriában a vezetést egy elektrolit oldatba merülő mérőcellában mért elektromos ellenállás alapján határozzuk meg. A mérőcellában két azonos méretű, sík felületű párhuzamos platina elektródlap helyezkedik el, egymással szemben. Az elektródákra adott váltakozó feszültség idézi elő a vizsgálandó oldatban jelen levő ionok elektródák felé történő mozgását. Minél több ion van jelen a vizsgálandó oldatban, annál nagyobb az elektródák között folyó áram. A mérőműszer kiszámítja ezután az Ohmtörvény alapján (R = U/I) a mért áramból a vizsgálandó oldat elektromos ellenállását illetve vezetőképességét. Az egyszerű platinaelektródpár helyett ma már ún. harangelektródákat használnak.
2. ábra Konduktometriás mérőcella felépítése
A vezetőképesség a következőképpen írható fel: 1 A (1) G R l . Ahol: G: a vezetés, mértékegysége a siemens, S (Siemens) R: az oldat ellenállása, a fajlagos vezetőképesség, S/cm A: Az elektródok felülete cm2 l: Az elektródok távolsága, cm A gyakorlatban a fajlagos vezetőképesség értéket használjuk, ami két egységnyi felületű egymástól 1 cm távolságra lévő elektród közti elektrolit oldat vezetőképességét írja le. Az (1) egyenletből kifejezhető a fajlagos vezetőképesség értéke.
1 l RA
(2)
Mivel az l és A meghatározása nehézkes ezért a gyakorlatban a vezetőképességi cellára jellemző l/A hányados értékét állapítjuk meg a műszer kalibrálásakor. Ezt az értéket cellaállandónak nevezzük. A cellaállandót ismert vezetőképességű oldatokkal határozzuk meg. Általában KCl-oldatokat használunk kalibrálásra, melynek vezetőképessége különböző koncentrációk és hőmérsékleti értékek esetén ismert. A gyakorlatunk során a műszerrel már kalibrált állapotban mérünk, és a műszer közvetlenül a fajlagos vezetőképesség értéket jelzi ki.
11
A konduktometriás méréseknek két fajtája van: - Direkt konduktometria esetén az elektrolit oldat koncentrációját közvetlenül a fajlagos vezetőképességből számítják. Így pl. igen gyorsan, egy vezetőképességi mérés útján tájékoztató jellegű értéket kapunk természetes vizek sókoncentrációjára vagy a desztillált víz minőségére. - A konduktometriás titrálások (indirekt módszer) esetén a titrálandó oldatba egy vezetőképességmérő elektródot merítünk, melynek segítségével a titrálás során az oldat fajlagos vezetőképességét mérni tudjuk. Titráláskor az oldat folyamatos keverését mágneses keverő segítségével biztosítjuk. A konduktometriás titrálások esetén a vezetőképességi értéket a mérőoldat térfogatának függvényében ábrázoljuk, az oldatok vezetőképessége felhasználható ugyanis a titrálások végpontjának megállapítására. Amennyiben a reagens mennyiségének függvényében a vezetőképesség változását leíró görbe a titrálás során iránytangenst változtat, a töréspont a titrálás végpontját adja. Erre akkor van lehetőség ha a titrálás során az ionkoncentráció jelentősen változik, vagy állandó ionkoncentráció mellett különböző mozgékonyságú ionok cseréje játszódik le.
3.1. ábra A konduktometriás titrálás kivitelezése
2. FELADAT: Klorid-ion meghatározása szennyvízben konduktometriás módszerrel 2.1. A 0,01 mol/dm3 koncentrációjú ezüst-nitrát mérőoldat pontos koncentrációjának meghatározása NaCl törzsoldattal a.) 250 ml 0,01 mol/dm3 koncentrációjú nátrium-klorid-segédmérőoldat készítése pontos beméréssel: Az oldat készítés menete: Számítsa ki a szükséges mennyiségű nátrium-kloridot, majd mérje be azt analitikai mérlegen (MNaCl= 58,5 g/mol). A bemért anyagot 250 ml-es mérőlombikba mossuk tölcsér segítségével. A mérőlombikot ultratiszta vízzel jelre töltjük. Az elkészített oldatot homogenizáljuk.
12
b.) Az ezüst-nitrát-oldat pontos koncentrációjának meghatározása NaCl oldattal: A pontos koncentráció meghatározásának menete: A nátrium-klorid segédmérőoldat 10,00 cm3 részletét titráló lombikba pipettázzuk Hozzáadunk 30 cm3 desztillált vizet és 3 csepp fluoreszcein indikátort. Az oldatot enyhe mozgatással keverjük, és addig titráljuk az ezüst-nitrát-mérőoldattal, míg a zöldessárga csapadékos folyadék színe rózsaszínűre változik. A fogyást feljegyezzük. Személyenként 3-3 párhuzamos mérést végzünk. 2.2. Klorid-ion meghatározása szennyvízben konduktometriás módszerrel A kloridion tartalmú szennyvíz mintát ezüst-nitrát mérőoldattal titrálva az alábbi csapadékképződéssel járó reakció játszódik le: Ag+ + Cl– = AgCl A titrálás első fázisában (az egyenértékpontig), a csapadék leválásával egyidejűleg, a kloridionok helyett a valamivel kisebb mozgékonyságú nitrát-ionok jutnak az oldatba. Ezért a titrálás az egyenértékpontig terjedő szakaszában az oldat vezetőképessége gyakorlatilag állandó. Az egyenértékpont elérése után az ezüst-nitrát mérőoldat feleslegének hatására a vezetőképesség megnő. Az ezüst-klorid csapadék oldhatósági szorzata csökkenthető nemvizes oldószernek (esetünkben etanolnak) a mintába adagolásával. Az utóbbi használata különösen híg oldatokban történő meghatározások során fontos. A meghatározás menete: A kiadott mintából készítsen 500 cm3 térfogatú törzsoldatot. A törzsoldat 10 ml-es részletét pipettával főzőpohárban mérjük. Az ultratiszta vízzel többször öblített vezetőképességmérő cellát belemerítjük az oldatba, ügyelve arra, hogy a mintaoldat az elektródot megfelelően ellepje. Merítsünk mágneses keverőelemet az oldatba, majd indítsuk el a keverést. Készítsünk táblázatot és jegyezzük fel a vezetőképesség kiindulási értékét. A mintához 1 ml-es adatokban 0,01 mol/dm3-es ezüst-nitrát mérőoldatot adagolunk. Minden egyes mérőoldat részlet után leolvassuk és feljegyezzük az oldat vezetését. A titrálás végpontját elhagyva tapasztalunk először jelentősebb változást a vezetésben. A titrálási görbe egyértelmű kiértékelése (a végpont megfelelő pontosságú meghatározása) érdekében ezután még legalább 3-5 reagens részletet adunk a mintához és az adatokat a fentiekhez hasonlóan feljegyezzük. A méréseket ismételje meg még 2 újabb mintarészleten is. A mérési adatokat ábrázolja milliméterpapíron, majd a titrálási görbéről olvassa le az ekvivalenciapontnak megfelelő mérőoldat térfogatot, a 3 párhuzamos mérés eredményét átlagolja, ebből pedig számítsa ki a minta klorid-ion tartalmát mg/l egységben. A titrálási görbe alakját a 3.2. ábra szemlélteti.
13
3.2. ábra A titrálási görbe alakja konduktometriás végpontjelzésű klorid-ion koncentráció meghatározáskor
Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat!
Szükséges eszközök/Páronként 6 db 250 ml-es Erlenmeyer lombik 2 db Büretta állvánnyal 3-3 db főzőpohár 1-1 mérőhenger 4 db 250 ml-es mérőlombik 1 db ultratiszta vizes flakon 1 db 500 ml-es mérőlombik az ismeretlennek 1 db 50 ml-es hasas pipetta 2 db vezetőképességmérő cella kijelzővel 2 db Mágneses keverő + keverőelem Milliméterpapír
Szükséges vegyszerek Nátrium-klorid 0,01 mol/AgNO3-oldat (barna üvegben) Fluoreszcein indikátor ultratiszta víz
14
3. MINTASZÁMÍTÁSOK: Hány g szilárd ezüst-nitrátot (M = 169,87 g/mol) kell bemérni 500 cm3 0,1 mol/dm3 koncentrációjú törzsoldat készítéséhez?
1.
Ha 1000 cm3 oldatban van 0,1 mol AgNO3 akkor 500 cm3 oldatban van 0,05 mol AgNO3 m AgNO3 = n AgNO3 x MAgNO3 = 0,05 mol x 169,87 g/mol = 8,4935 g Tehát 8,4935 g szilárd AgNO3-t kell bemérni a fenti oldat elkészítéséhez.
2. Mennyi annak az ezüst-nitrát oldatnak a koncentrációja, melyet 0,0512 mol/dm3-es koncentrációjú NaCl mérőoldattal titrálva a bemért NaCl-oldat 10,00 cm3-ére az ezüstnitrátból 10,40 cm3 fogyott. (MKCl: 74,56 g/mol) Alapadatok:
NaCl oldat: V= 10,0 cm3 , c = 0,0512 mol/dm3 AgNO3 oldat: V= 10,4 cm3, c = ?
a. Kiszámítjuk, hogy a lombikban hány mól NaCl van: 1000 cm3 oldatban van 0,0512 mol NaCl 10,00 cm3 oldatban van 5,12 x 10-4 mol NaCl b. Felírjuk a reakcióegyenletet: NaCl + AgNO3 = AgCl + NaNO3 c. Megállapítjuk, hogy hány mol AgNO3 reagált el az ekvivalencia pontig. Ha 1 mol Cl- -ion Akkor 5,12 x 10-4 mol NaCl
1 mol AgNO3 –tal reagál 5,12 x 10-4 AgNO3–tal reagál.
d. Kiszámítjuk az AgNO3 oldat mol/dm3-ben kifejezett koncentrációját. 10,40 cm3 oldatban van 5,12 x 10-4 mol AgNO3 1000 cm3 oldatban van x mol AgNO3 x = 0,04923 mol AgNO3 Tehát az ezüst-nitrát mérőoldat koncentrációja: 0,04923 mol/dm3.
3. Mennyi a vizsgált szennyvízminta klorid-ion tartalma mg-ban, ha a konduktometriás
végpontjelzéssel végzett titrálás során 50 cm3 mintarészletre a 0,01062 mol/dm3 koncentrációjú ezüst-nitrát oldatból a párhuzamos titrálásokkal kapott fogyások az alábbiak: VAgNO3= 10,35 cm3; VAgNO3= 10,40 cm3; VAgNO3= 10,50 cm3? Az ismeretlen minta klorid-ion tartalmát egy liter vizsgálandó oldatra vonatkoztassa (MCl-=35,5 g/mol).
15
A kivett részletek térfogata: 50,00 cm3 c AgNO3 = 0,01062 mol/dm3 VAgNO3, átlag= 10,42 cm3 MCl-=35,5 g/mol Ha 1000 cm3 oldatban van 0,01062 mol AgNO3 akkor 10,42 cm3 oldatban van 0,0001107 mol AgNO3 Ag+ + Cl– = AgCl A reakcióegyenlet alapján: 1 mol AgNO3 arányos 1 mol Cl0,0001107 mol AgNO3 arányos 0,0001107 mol Cl50 cm3 oldatban van 0,0001107 mol Cl1000 cm3 oldatban pedig x mol Clx = (1000/50) x 0,0001107 = 0,002213 mol Cl1 mol Cl- 35,5 g 0,002213 mol Cl- 0,07856 g Cl- = 78,56 mg Cl-
Eredmény: A minta Cl- koncentrációja:
78,56 mg/dm3.
16
Környezeti minta vas (II)-tartalmának meghatározása fotometriásan (VFM) 1. A MEGHATÁROZÁS ELMÉLETI HÁTTERE: AZ UV-VIS SPEKTROFOTOMERTIA ALAPJAI
A mérés a molekulák és ionok fényelnyelésén alapszik. A fényelnyelés az ultraibolya (UV) vagy látható (VIS) tartományból történik, melynek hullámhossztartománya (180 nm-780nm). Az UV-VIS spektrofotometria széles körben elterjedt módszer, mely minőségi és mennyiségi elemzéseket egyaránt lehetővé tesz. Elsősorban környezeti minták vas(II)-, nitrát-, ammónium- és foszfát-tartalmának meghatározására használják. Ha egy színes oldaton át fényt bocsátunk keresztül, az oldatban lévő molekulák egy része az összetett fényből valamilyen hullámhossztartományban fényt nyel el. A fényelnyelést abszorbanciának (A) nevezzük. Az, hogy milyen hullámhossztartományban történik az elnyelés, az oldat anyagi minőségétől függ, az elnyelés intenzitása pedig a koncentrációval arányos. Ha a vizsgálandó anyag oldata színtelen, akkor csak akkor tudjuk meghatározni mennyiségét ezen módszerrel, ha valamilyen szelektív reagens segítségével színes vegyületté alakítjuk. A fényelnyelés és koncentráció kapcsolatát a Lambert Beer törvény írja le. Lambert-Beer törvény: Ha egy párhuzamos lapokkal határolt (L vastagságú) homogén rendszeren (lehet oldat, mely oldott molekulákat tartalmaz, vagy lehet gáz) merőlegesen I0 intenzitású fényt engedünk át, a fény egy része a közegen áthaladva elnyelődik, majd csökkent erősséggel (I) hagyja el a közeget. A fényelnyelés (abszorbancia) nagysága arányos a fény közegben megtett útjával (rétegvastagság, L), és a koncentrációval (c). Ha a mérés során az átvilágított réteg vastagságát nem változtatjuk, a fényelnyelés csak a koncentráció függvénye.
4. ábra Fényelnyelés homogén közegben
Lambert-Beer törvény alakja: A = - log Itr/Io = . L. c
17
Ahol:
A: abszorbancia Itr: a kilépő (transzmittált) fény intenzitása Io: a beeső fény intenzitása L: rétegvastagság c: koncentráció : moláris abszorpciós koefficiens dm3mol-1cm-1
Az abszorbancia additív mennyiség, n számú elnyelő komponens esetén: A = Ai = i . L . ci A koncentráció meghatározást célszerű az anyag ún. elnyelési maximumán végezni, ugyanis a mérés érzékenysége, pontossága itt a legnagyobb. Ennek megállapítása a következőképpen történik: Ha az anyagra folytonos színképű sugárzást bocsátunk és a fényelnyelést ábrázoljuk a besugárzó fény hullámhosszának a függvényében, akkor az ún. abszorpciós spektrumhoz jutunk. Ebből megállapíthatjuk azt a hullámhosszértéket, ahol az anyagunknak elnyelési maximuma van. Az elnyelési maximum anyagi minőségre jellemző érték. A színes anyagok elnyelési maximuma a látható tartományban (400-800 nm) van. Sok olyan anyag van azonban, amelyek oldata színtelen (pl: NO3 , PO43 ) vagy alig színes, így ezek közvetlen mérése nem lehetséges. Ugyanakkor szinte mindegyikhez található olyan reagens (pl: kromotrópsav, ammónium-molibdenát-vanadát) amellyel reagáltatva színessé tehetők és így már spektrofotometriásan mérhetők. A színes vegyületek képzésénél biztosítanunk kell azt, hogy a színképző anyag mindig feleslegben legyen és csak a mérendő anyaggal reagáljon, valamint a színképzés körülményei, pl: pH megfelelőek legyenek. A spektrofotométerek általános felépítése: Fényforrás és hozzá kapcsolódó tápegység Optikai ill. fényfelbontó egység (szűrő, rács vagy monokromátor) egy bizonyos hullámhosszúságú fény előállításához a folytonos fényből Mintatartó (küvetta) Érzékelő (detektor: pl: fotocella vagy fotoelektron-sokszorozó) Jelfeldolgozó egység vagy számítógép Az egysugaras fotométerek: A tiszta oldószert (vak minta, mely nem tartalmazza a mérendő alkotót) a küvettába helyezzük, majd az azon áthaladó monokromatikus fény hatására jelentkező detektorjelet ellentétesen kapcsolt potenciométer feszültségével kompenzáljuk. Majd a fény útjába ugyanolyan küvettába a vizsgálandó oldatot helyezzük, és az újabb jelet a potenciométerrel újra kompenzáljuk. Ennél a módszernél fontos, hogy a fényforrásból jövő fény intenzitása a mérések közben állandó legyen.
18
Küvetta
5. ábra Egysugaras fotométer (1: fényforrás, 2: monokromátor, 3: optikai rés, 4: detektor, 5: erősítő, 6: regisztráló)
Kétsugaras fotométerek: Az egyik fényútba az összehasonlító oldószert, a másikba a vizsgálandó oldatot helyezzük. A két küvettára felváltva azonos hullámhosszúságú, azonos intenzitású fény jut. Az áthaladó két fény intenzitásának hatására a detektorban két fogazott jel jelentkezik. A két amplitúdó különbségét mérjük.
6. ábra Kétsugaras fotométer
Alkalmazott Nanocolor típusú fotométer felépítése:
19
2. FELADAT: Ivóvízminta vas(II)-tartalmának meghatározása fotometriásan. a.) Kalibrációs oldatok készítése, mérési hullámhossz megállapítása: Analitikai mérlegen mérjen be ~110 mg Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O-t 0,1 mg pontossággal. Kb. 50 cm3 ionmentes vízben oldja fel és adjon hozzá 5 cm3 10 %-os sósavat, majd ionmentes vízzel 200,00 cm3-re egészítse ki (mérőlombikban). Az oldatból 25 cm3-es mérőlombikokba mérjen automata pipettával 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 és 0,9 cm3-t! Adjon az oldatokhoz automata pipettával: 1 cm3 10 %-os sósav-oldatot, 0,5 cm3 10 %-os hidroxil-ammónium-klorid oldatot, 1 cm3 0,1 %-os dipiridilt, és 5 cm3 20 %-os ammónium-acetát-oldatot. A lombikokat ionmentes vízzel töltse jelig és homogenizálja! 30 perc eltelte után vegye fel az abszorpciós spektrumot 400-600 nm tartományban 20 nmenként a 0,9 cm3-t tartalmazó oldattal. A fotométer használati utasítását a gyakorlatvezető a mérés előtt átadja a hallgatónak! A jegyzőkönyvbe készítsen táblázatot és írja fel a mért abszorbancia értékeket. Ábrázolja az adatokat milliméterpapíron és állapítsa meg a mérésre alkalmas hullámhosszat. b.) Kalibrációs görbe felvétele: Megfelelő hullámhosszon mérje a kalibráló oldatsorozat abszorbanciáját, a jegyzőkönyvébe készítsen táblázatot és rögzítse az adatokat (térfogat függvényében mért abszorbancia). Ábrázolja az adatokat milliméterpapíron. c.) Ismeretlen minta vas(II)-tartalmának meghatározása: A vizsgálandó anyagból ionmentes vízzel (5 cm3 10 %-os sósav hozzáadásával) készítsen 200 cm3 törzsoldatot! Az oldatból 25 cm3-es mérőlombikokba mérjen automata pipettával 0,6 és 0,8 cm3-t! Adjon az oldatokhoz automata pipettával: 1 cm3 10 %-os sósav-oldatot, 0,5 cm3 10 %-os hidroxil-ammónium-klorid oldatot, 1 cm3 0,1 %-os dipiridilt, és 5 cm3 20 %-os ammónium-acetát-oldatot. A lombikokat ionmentes vízzel töltsük jelig és 30 perc után fotometrálja azokat. A jegyzőkönyvébe készítsen táblázatot és rögzítse az adatokat. A kalibrációs egyenes (görbe) segítségével határozza meg az ismeretlen minta vas(II)-tartalmát. Eredményként adja meg, hogy a vizsgálandó anyag hány mg vasat tartalmazott.
20
Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! Szükséges eszközök/Páronként 2 db 200 cm3-s mérőlombik, kistölcsér 8 db 25 cm3-s mérőlombik, hengerküvetták küvetta tartó automata pipetta spektrofotométer bemérőedény ismeretlennek milliméterpapír
Szükséges vegyszerek Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O 10 %-os sósav-oldat, 10 %-os hidroxil-ammónium-klorid oldat, 0,1 %-os dipiridil oldat, 20 %-os ammónium-acetát-oldat
3. A GYAKORLATHOZ KAPCSOLÓDÓ SZÁMÍTÁSI FELADATOK: 1. Hány mg Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O-t kell bemérni 200 cm3 0,0015 mol/dm3 koncentrációjú
törzsoldat készítéséhez? Ha ebből az oldatból 0,6 cm3-t veszünk ki a vizsgálatra egy 25 cm3es mérőlombikba, akkor milyen koncentrációjú lesz a kivett oldat Fe(II) tartalma mg/l-ben? M(Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O) = 392,14 g/mol MFe2+ = 55,85 g/mol Ha 1000 cm3 oldatban van 0,0015 mol Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O akkor 200 cm3 oldatban van 0,0003 mol Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O m Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O = n Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O x M Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O = 0,0003 mol x 392,14 g/mol = 0,1176 g = 117,60 mg
Tehát 117,60 mg szilárd Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O -t kell bemérni a fenti oldat elkészítéséhez. Ha 200 cm3 oldatban van 0,0003 mol Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O akkor 0,6 cm3 oldatban van 9 x 10-7 mol Fe(NH4)2(SO4)2 x 6 H2O és Fe(II)-ion Ezt 25 cm3-re hígítjuk, így: Ha 25 cm3 oldatban van 9 x 10-7 mol Fe(II)-ion akkor 1000 cm3 oldatban van 3,6 x 10-5 mol Fe(II)-ion. 1 mol Fe(II)-ion 55,85 g 3,6 x 10-5 mol Fe(II)-ion 0,0020106 g Fe(II)-ion = 2,01 mg Fe(II)-ion
Eredmény: 2,01 mg/dm3.
A minta Fe(II)-ion koncentrációja:
21
Szalicilsav koncentrációjának meghatározása fotometriásan (SFM) 1. A MEGHATÁROZÁS ELMÉLETI HÁTTERE: 1.1. AZ UV-VIS SPEKTROFOTOMERTIA ALAPJAI A mérés a molekulák és ionok fényelnyelésén alapszik. A fényelnyelés az ultraibolya (UV) vagy látható (VIS) tartományból történik, melynek hullámhossztartománya (180 nm-780nm). Az UV-VIS spektrofotometria széles körben elterjedt módszer, mely minőségi és mennyiségi elemzéseket egyaránt lehetővé tesz. Elsősorban környezeti minták vas(II)-, nitrát-, ammónium- és foszfáttartalmának meghatározására használják. Ha egy színes oldaton át fényt bocsátunk keresztül, az oldatban lévő molekulák egy része az összetett fényből valamilyen hullámhossztartományban fényt nyel el. A fényelnyelést abszorbanciának (A) nevezzük. Az, hogy milyen hullámhossztartományban történik az elnyelés, az oldat anyagi minőségétől függ, az elnyelés intenzitása pedig a koncentrációval arányos. Ha a vizsgálandó anyag oldata színtelen, akkor csak akkor tudjuk meghatározni mennyiségét ezen módszerrel, ha valamilyen szelektív reagens segítségével színes vegyületté alakítjuk. A fényelnyelés és koncentráció kapcsolatát a Lambert Beer törvény írja le. Lambert-Beer törvény: Ha egy párhuzamos lapokkal határolt (L vastagságú) homogén rendszeren (lehet oldat, mely oldott molekulákat tartalmaz, vagy lehet gáz) merőlegesen I0 intenzitású fényt engedünk át, a fény egy része a közegen áthaladva elnyelődik, majd csökkent erősséggel (I) hagyja el a közeget. A fényelnyelés (abszorbancia) nagysága arányos a fény közegben megtett útjával (rétegvastagság, L), és a koncentrációval (c). Ha a mérés során az átvilágított réteg vastagságát nem változtatjuk, a fényelnyelés csak a koncentráció függvénye.
4. ábra Fényelnyelés homogén közegben
Lambert-Beer törvény alakja: A = - log Itr/Io = . L. c
22
Ahol:
A: abszorbancia Itr: a kilépő (transzmittált) fény intenzitása Io: a beeső fény intenzitása L: rétegvastagság c: koncentráció : moláris abszorpciós koefficiens dm3mol-1cm-1
Az abszorbancia additív mennyiség, n számú elnyelő komponens esetén: A = Ai = i . L . ci A koncentráció meghatározást célszerű az anyag ún. elnyelési maximumán végezni, ugyanis a mérés érzékenysége, pontossága itt a legnagyobb. Ennek megállapítása a következőképpen történik: Ha az anyagra folytonos színképű sugárzást bocsátunk és a fényelnyelést ábrázoljuk a besugárzó fény hullámhosszának a függvényében, akkor az ún. abszorpciós spektrumhoz jutunk. Ebből megállapíthatjuk azt a hullámhosszértéket, ahol az anyagunknak elnyelési maximuma van. Az elnyelési maximum anyagi minőségre jellemző érték. A színes anyagok elnyelési maximuma a látható tartományban (400-800nm) van. Sok olyan anyag van azonban, amelyek oldata színtelen (pl: NO3 , PO43 ) vagy alig színes, így ezek közvetlen mérése nem lehetséges. Ugyanakkor szinte mindegyikhez található olyan reagens (pl: kromotrópsav, ammónium-molibdenát-vanadát) amellyel reagáltatva színessé tehetők és így már spektrofotometriásan mérhetők. A színes vegyületek képzésénél biztosítanunk kell azt, hogy a színképző anyag mindig feleslegben legyen és csak a mérendő anyaggal reagáljon, valamint a színképzés körülményei, pl: pH megfelelőek legyenek. A spektrofotométerek általános felépítése: Fényforrás és hozzá kapcsolódó tápegység Optikai ill. fényfelbontó egység (szűrő, rács vagy monokromátor) egy bizonyos hullámhosszúságú fény előállításához a folytonos fényből Mintatartó (küvetta) Érzékelő (detektor: pl: fotocella vagy fotoelektron-sokszorozó) Jelfeldolgozó egység vagy számítógép Az egysugaras fotométerek: A tiszta oldószert (vak minta, mely nem tartalmazza a mérendő alkotót) a küvettába helyezzük, majd az azon áthaladó monokromatikus fény hatására jelentkező detektorjelet ellentétesen kapcsolt potenciométer feszültségével kompenzáljuk. Majd a fény útjába ugyanolyan küvettába a vizsgálandó oldatot helyezzük, és az újabb jelet a potenciométerrel újra kompenzáljuk. Ennél a módszernél fontos, hogy a fényforrásból jövő fény intenzitása a mérések közben állandó legyen.
23
Küvetta
5. ábra Egysugaras fotométer (1: fényforrás, 2: monokromátor, 3: optikai rés, 4: detektor, 5: erősítő, 6: regisztráló)
Kétsugaras fotométerek: Az egyik fényútba az összehasonlító oldószert, a másikba a vizsgálandó oldatot helyezzük. A két küvettára felváltva azonos hullámhosszúságú, azonos intenzitású fény jut. Az áthaladó két fény intenzitásának hatására a detektorban két fogazott jel jelentkezik. A két amplitúdó különbségét mérjük.
6. ábra Kétsugaras fotométer
Alkalmazott Nanocolor típusú fotométer felépítése:
24
A meghatározandó anyag jellemzése: A szalicilsav (a fűzfa Salix latin nevéből, melynek kérgében található) a 2-hidroxi-benzoesav (C6H4(OH)CO2H), melyben az -OH csoport és a karboxilcsoport szomszédos helyzetű. Színtelen kristályos anyag. Vízben nehezen oldódik, de a kloroform, az éter vagy az alkohol igen könnyen oldja. A szintetikus kémiában gyakori reagens, a természetben növényi hormon. A salicin anyagcseréje során keletkezik. Legismertebb rokonvegyülete az acetilszalicilsav, mely (többek között) az Aspirin nevű gyógyszer hatóanyaga. A nátrium-fenoxidból és szén-dioxidból nagy nyomáson nátrium-szalicilát állítható elő (Kolbe-Schmitt reakció). Ebből savas közegben szalicilsav képződik.
A szalicilsav egy fitohormon, amely fontos szerepet játszik a növények fejlődésében, a fotoszintézisben, a növényi légzésben, az ionfelvételben és -transzportban valamint specifikus hatása van a levelek anatómiájában és a kloroplasztok szerkezetében. A szalicilsav endogén jelátvivő molekula a növények kórokozó elleni védekező mechanizmusaiban is. A szalicilsav fontos összetevője számos bőrápolószernek és kozmetikumnak. Akne, psoriasis, bőrkeményedés, tyúkszem, keratosis pilaris és szemölcsök kezelésére használják. Gyorsítja az epidermis hámlását, így a faggyúmirigyek nem tömődnek el, és gyorsabban képződik új bőr. Ezért számos korpásodás ellen készített sampon alkotórésze is. A szalicilsav lázcsillapító és gyulladáscsökkentő hatását 1763 óta ismerik. Bár nagy dózisban toxikus, a szalicilsavat élelmiszerek tartósítására és fogkrémekben is használják. Egyes emberekben kis mennyiségben is allergiát válthat ki.
2. FELADAT: Szalicilsav koncentrációjának meghatározása fotometriásan. a.) Kalibrációs oldatok készítése, mérési hullámhossz megállapítása: Analitikai mérlegen mérjen be 0,05 g szalicilsavat 0,1 mg pontossággal. Oldja 10 cm3 etanolban és készítsen 500 cm3 standard oldatot 0,01 mol/dm3 koncentrációjú sósav-oldattal feltöltve (mérőlombikban). Az oldatból 50 cm3-es mérőlombikokba mérjen pipettával 2,50; 5,00; 7,50; 10,00; 12,50 és 15,00 cm3-t! Adjon az oldatokhoz automata pipettával: 0,3 cm3 frissen készített 25 vegyes %-os FeCl3-oldatot (2,5 g FeCl3 + 10 cm3 víz). A lombikokat 0,01 mol/dm3 koncentrációjú sósav-oldattal töltse jelig és homogenizálja! Vegye fel az abszorpciós spektrumot 480-580 nm tartományban 20 nm-enként a legtöményebb oldattal. 25
A fotométer használati utasítását a gyakorlatvezető a mérés előtt átadja a hallgatónak! A jegyzőkönyvbe készítsen táblázatot és írja fel a mért abszorbancia értékeket. Ábrázolja az adatokat milliméterpapíron és állapítsa meg a mérésre alkalmas hullámhosszat. b.) Kalibrációs görbe felvétele: Megfelelő hullámhosszon mérje a kalibráló oldatsorozat abszorbanciáját, a jegyzőkönyvébe készítsen táblázatot és rögzítse az adatokat (térfogat függvényében mért abszorbancia). Ábrázolja az adatokat milliméterpapíron. c.) Ismeretlen minta szalicilsav-tartalmának meghatározása: A vizsgálandó szalicilsavat oldja 10 cm3 etanolban és készítsen 500 cm3 standard oldatot 0,01 mol/dm3 koncentrációjú sósav-oldattal feltöltve (mérőlombikban). Az oldatból 50 cm3-es mérőlombikokba mérjen pipettával 7,50 és 10,00 cm3-t! Adjon az oldatokhoz automata pipettával: 0,3 cm3 frissen készített 25 vegyes %-os FeCl3-oldatot (2,5 g FeCl3 + 10 cm3 víz). A lombikokat 0,01 mol/dm3 koncentrációjú sósav-oldattal töltse jelig és homogenizálja! A jegyzőkönyvébe készítsen táblázatot és rögzítse az adatokat. A kalibrációs egyenes (görbe) segítségével határozza meg az ismeretlen minta szalicilsav-tartalmát. Eredményként adja meg, hogy a vizsgálandó anyag hány mg szalicilsavat tartalmazott 1000 cm3-ben. Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! Szükséges eszközök/Páronként 2 db 500 cm3-s mérőlombik kistölcsér
Szükséges vegyszerek szalicilsav 25 vegyes %-os FeCl3-oldatot (2,5 g FeCl3 + 10 cm3 víz) etanol 0,01 mol/dm3-es sósav-oldat
8 db 50 cm3-s mérőlombik hengerküvetták küvetta tartó automata pipetta spektrofotométer bemérőedény ismeretlennek milliméterpapír
26
3. A GYAKORLATHOZ KAPCSOLÓDÓ SZÁMÍTÁSI FELADATOK: 1. Hány mg szalicilsavat kell bemérni 500 cm3 0,00075 mol/dm3 koncentrációjú törzsoldat készítéséhez? Ha ebből az oldatból 7,00 cm3-t veszünk ki a vizsgálatra, és hígítjuk 50 cm3-re, akkor milyen koncentrációjú lesz a kivett oldat mg/l-ben? Mszalicilsav = 138,12 g/mol Ha 1000 cm3 oldatban van 0,00075 mol szalicilsav akkor 500 cm3 oldatban van 0,000375 mol szalicilsav m szalicilsav= n szalicilsavx M szalicilsav= 0,000375 mol x 138,12 g/mol = 0,05179 g = 51,79 mg
Tehát 51,79 mg szilárd szalicilsavat kell bemérni a fenti oldat elkészítéséhez. Ha 500 cm3 oldatban van 0,000375 mol szalicilsav akkor 7,00 cm3 oldatban van 5,25 x 10-6 mol szalicilsav Ezt 50 cm3-re hígítjuk, így: Ha 50 cm3 oldatban van 5,25 x 10-6 mol szalicilsav akkor 1000 cm3 oldatban van 1,05 x 10-4 mol szalicilsav 1 mol szalicilsav 138,12 g 1,05 x 10-4 mol szalicilsav 0,01450 g szalicilsav = 14,50 mg szalicilsav
Eredmény: 14,50 mg/dm3.
A minta szalicilsav koncentrációja:
27
Vízminták vizsgálata ionkromatográfiásan (IC) 1. A MEGHATÁROZÁS ELMÉLETI HÁTTERE: 1.1. A KROMATOGRÁFIA ELVI ALAPJAI A kromatográfiás elválasztási módszer feladata, hogy egy mintakeverék egymáshoz hasonló viselkedésű komponenseit elválassza, azonosítsa és mennyiségüket meghatározza. Az elválasztás során az elválasztandó alkotók két egymással érintkező fázis között oszlanak meg. Az egyik fázis áll, így ezt állófázisnak, a másik fázis mozog (halad előre az állófázison), így ezt mozgófázisnak (eluensnek, fluid fázisnak) nevezzük. Az állófázis lehet szilárd anyag vagy folyadék. Utóbbi esetben a mozdulatlanságát úgy valósítjuk meg, hogy a folyadék vékony film alakjában helyezkedik el a porózus szemcsés szilárd hordozón. A mozgófázis lehet az állófázissal nem elegyedő folyadék vagy gáz. Az elválasztandó mintakeverék a mozgófázisba jutva azzal együtt vándorol az állófázison keresztül. A keverék komponensei a mozgófázissal és az állófázissal különböző típusú és mértékű kölcsönhatásokat alakítanak ki. Így az állófázisban eltérő ideig tartózkodnak. Ennek következtében előrehaladásuk átlagos sebessége is különböző lesz: egyes 7. ábra A komponensek szétválása az komponensek előrehaladnak, míg mások „lemaradoznak”, oszlopban és így az állófázist időben elkülönülve hagyják el. Összefoglalva, a fenti meghatározásnak három lényeges eleme van: 1. az álló és mozgó fázis 2. a fázisok közti anyagátmenet és 3. a minta alkotói és az állófázis közötti kölcsönhatások különbözősége A kromatográfiás eljárás során az állófázison keresztül haladó oldatnak valamilyen kémiai vagy fizikai tulajdonságát, pl. elektromos vezetőképességét mérjük és azt az idő függvényében ábrázoljuk. Az így kapott függvényt kromatogramnak nevezzük. A kromatogramokon egy csúcsokból álló sorozat látható, az egyes csúcsok a minta komponenseire jellemzőek. Az a komponens halad leggyorsabban keresztül az oszlopon, mely az oszlopon a legkevésbé fékeződik le. Ennek a kromatogram első csúcsa felel meg. A komponensekre jellemző adat a retenciós idő és a csúcsok alatti terület. Egy anionokat tartalmazó oldat kromatogramja látható a 8. ábrán:
8. ábra Anionok kromatogramja
28
A retenciós idő a mintának a mozgófázisba juttatásától a komponens detektor által mért maximális koncentrációjának a megjelenéséig eltelt idő (A kromatogramon az adott maximális csúcsmagassághoz tartozó idő). A retenciós idő komponensenként változik, és az anyagi minőségre jellemző. Pl a fenti ábra alapján egy adott módszer alkalmazása esetén: tR(fluorid) = 2,3 perc, tR(klorid) = 3,8 perc, tR(nitrit) = 4,1 perc stb. Az adott mérési körülmények közötti retenciós idők meghatározása alapján minőségi azonosításra is van lehetőségünk. A kromatogram másik jellemző adata a csúcsok alatti terület, mely az oszlopon átfolyó oldat komponenseinek mennyiségével arányos. Így visszaszámolható a vizsgált oldat koncentrációja. A kromatográfiás vizsgálattal tehát minőségi és mennyiségi analízist is végezhetünk. A kromatográfiás módszerek csoportosítása történhet az állófázis alakja és minősége szerint. Az állófázisok többnyire granulált anyagok melyet csőbe töltve vagy sík felületen elterítve használunk. Állófázisként használhatunk papírt is. Eszerint tehát három csoportot különböztetünk meg:
oszlop, rétegkromatográfia és papírkromatográfia
A mozgó fázis halmazállapota is lehet csoportosítási szempont. A mozgó fázis lehet gáz, folyadék vagy szuperkritikus folyadék. Így ismert:
Gázkromatográfia (GC) Folyadékkromatográfia (LC) Szuperkritikus fluid kromatográfia (SFC)
A folyadékkromatográfián belül az állófázis minősége, illetve a komponensek elkülönülését előidéző folyamat szerint számos módszer különíthető el:
adszorpciós, megoszlásos és ioncserés illetve ionkromatográfia, stb.
Az adszorpciós kromatográfia esetén az elválasztandó komponensek különféleképpen kötődnek (adszorbeálódnak) az állófázison. Megoszlásos folyadékkromatográfia: Az állófázis folyadék, amelyet szemcsés hordozó felületére adszorbeálnak. A mozgó fázis olyan folyadék, mely az állófázissal nem elegyedik. Általában vízzel nem elegyedő, kevésbé poláros oldószereket (benzol, toluol, kloroform, éter, stb.) használnak. Az elválasztandó anyagok megoszlása és elúció közben vándorlási sebessége a két oldószerben való oldhatóság mértékétől függ. A módszer poláros jellegű szerves anyagok (zsírsavak, alkoholok, fenolok, stb.) elválasztására alkalmas. Ioncserés folyadékkromatográfia: Az állófázis ioncserélő gyanta, az eluens pedig elektrolitot tartalmazó vizes oldat. A megoszló, elválasztandó anyagok ionok. Ioncserés kromatográfiával elválaszthatók a ritkaföldfémek vagy az aminosavak. A detektálás fotometriás, amperometriás módszerrel történhet.
29
A gyakorlat során alkalmazott módszer A gyakorlat során az oszlopkromatográfiás módszereken belül az ionromatográfiás méréseket IC/HPLC) ismerjük meg. HPLC (NAGYNYOMÁSÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIA) A folyadékkromatográfia legelterjedtebb változata a nagynyomású folyadékkromatográfia (HPLC), melynek lényege, hogy az apró szemcsés állófázison, (melyet egy acélcsőbe töltenek) nagy nyomással áramoltatják keresztül a mozgófázist. Így a komponensek elválasztása gyorsabb, hatékonyabb. A HPLC-s méréstechnika speciális fajtája az ionkromatográfia. Az ionkromatográfia töltéssel rendelkező részecskék, ionok elválasztására, meghatározására alkalmas analitikai módszer. Az elválasztás azon alapul, hogy a különböző ionok töltésük és méretük függvényében különböző mértékben kötődnek meg ellentétes töltésű szilárd anyag, az álló fázis felszínén. Az erősebben adszorbeálódó anyag a gyengébben kötődőt leszoríthatja a szilárd fázisról, kicserélheti a felületen. Így a leggyengébben kötődő kis töltésű, nagy méretű ionok érkeznek meg először az oszlop végére (ezeknek lesz legkisebb a retenciós idejük) míg a nagy töltésű és kis méretű, erősen adszorbeálódó ionok leglassabban haladva később jelennek meg az oszlop végén. Az elválasztandó ionok töltésétől függően választjuk ki az analitikai oszlopunkat, vagyis az álló fázis minőségét. Ha a meghatározni kívánt mintakeverékünk negatív töltésű ionokból áll, akkor ún. anioncserélő (pozitív töltésű) oszlopot kell választanunk a meghatározáshoz. Ha a mintakeverékünk pozitív töltésű ionokból áll, kationcserélő (negatív töltésfelülettel rendelkező) oszlopot kell használnunk. Az analitikai kolonna egy állandó hőmérsékletet biztosító termosztátban helyezkedik el. Folyadék fázisként híg vizes oldatokat alkalmazunk, az ioncsere által okozott pH változások elkerülése érdekében általában puffer-oldatokat. Ebbe a folyamatosan áramló puffer-oldatba fecskendezzük a mérendő oldatunkat. Az oszlop végén kifolyó oldatot vezetőképesség mérő detektoron áramoltatjuk át, amikor is a mérendő komponens koncentrációjával arányos jelet kapunk. Ha a detektor által érzékelt jelet (vezetőképesség változása) időben ábrázoljuk, egy kromatogramhoz jutunk. Az ismeretlen mintakeverék ionjainak meghatározása érdekében először ismert koncentrációjú ionokat tartalmazó oldatokat (hitelesítő oldatok) fecskendezünk be az ionkromatográfba és felvesszük az egyes standard tagok kromatogramjait.
9. ábra A kromatogramok kalibrációs görbéje
A kromatogramon az elválasztott alkotórészekhez tartozó csúcsok alatti területet meghatározzuk. Ez ma már elektronikus úton, az ún. integrátorral vagy számítógépes adatfeldolgozással történik.
30
1.2. AZ ALKALMAZOTT KÉSZÜLÉK JELLEMZÉSE: Az általunk használt ún. DIONEX ICS-3000 dual ionkromatográfiás rendszer alkalmas erős és gyenge savak anionjainak meghatározására ionelnyomással, valamint egy- és kétértékű kationok meghatározására. Az eluens és mintaáramlási útvonal is egyaránt teljesen fémmentes. A vezérlő CHROMELEON Chromatography Management szoftver rendkívül sokoldalú, a készülék rendelkezik a megfelelő PC-illesztéssel. A hardver komponenseket a vezérlő és adatgyűjtő/feldolgozó szoftver monitorozza. A 10-11. ábrák az ionkromatográfiás készüléket, az 1. táblázat a rendszer alapelemeit mutatja be. A rendszer alapelemei: pumpa, gázmentesítő, 50 db minta befogadására képes automata mintabeviteli egység ill. mintaváltó, kolonna termosztáttal, elektrolitikus ionelnyomó reaktor (szupresszor), vezetőképességmérő detektor.
10. ábra: DIONEX ICS-3000 típusú ionkromatográfiás rendszer
11. ábra: DIONEX ICS-3000 típusú ionkromatográfiás rendszer
31
1. táblázat: A DIONEX ICS-3000 típusú ionkromatográfiás rendszer alapelemei
Rendszerelem jellemzése
Rendszerelem Kromatográfiás pumpák (2 db, izokratikus)
Kétdugattyús kromatográfiás pumpa, kémiailag inert, fémmentes pumpafejjel, PEEK Áramlási sebesség tartomány 0-10 ml/perc, beállítható 0,001 ml/perc lépésekben Max nyomás: 35 MPa
Vezetőképességi detektorok (2 db)
Oszloptermosztátok (2 db)
Mintaváltó
Injektorok
Mikroprocesszor vezérelt digitális jelfeldolgozás Mérési tartomány: 0-15000 μS/cm Felbontás: 0,00238 nS/cm Termosztált vezetőképességi cella, aminek a hőstabilitása <0,001 o C A komplett, működő rendszer (eluenssel, oszloppal, anion szupresszorral) zaja<0,2 nS/cm Alkalmasak 1 vagy 2 db 25 cm hosszúságú analitikai oszlop befogadására az előtét oszlopokkal együtt úgy, hogy a rendszerben egyidejűleg használt anion és kation oszlopok egyaránt termosztálva legyenek, akár két eltérő hőmérsékletre is (ahogyan azt a különböző oszlopok és elválasztások igénylik). Az oszloptermosztátok +40 oC-ig tudnak fűteni, a hőmérséklet stabilitásauk +/- 0,2 oC.
Teljesen fémmentes mintaáramlási útvonal Képes elvégezni a minták szűrését legalább 0.2 μm-es szűrőn keresztül. A minták mérése között a mintavevő tűt automatikusan öblíti.
Motorizált injektor szelep a megfelelő méretű minta hurokkal Max. működési nyomás 35 MPa
Alkalmazott módszer: Az anionágon nátrium-karbonát, nátriumhidrogénkarbonát tartalmú eluenssel, míg a kationágon kénsav eluenssel dolgoztunk. A mérési paramétereket DIONEX applikációk és ide vonatkozó magyar szabványok alapján állítottuk össze: Oszlopok: anionág: Dionex IonPac AS14A (4 x 250 mm), előtét kolonna: AG 14A (4 x 50 mm) kationág: Dionex IonPac CS12 (4 x 250 mm), előtét kolonna: CG 12 (4 x 50 mm) Áramlási sebesség: 1,0 ml/min, izokratikus elválasztás Injektált térfogat: 25 l Eluensek: anionág: 8 mmol/l Na2CO3, 1 mmol/l NaHCO3 kationág: 22 mN H2SO4 Hőmérséklet: 30 C Detektor: Vezetőképességi
32
Szupresszorok: anionág: ASRS 300, 4 mm visszaforgatott eluens üzemmód, 35 C, 43 mA kationág: CSRS 300, 4 mm visszaforgatott eluens üzemmód, 35 C, 129 mA Kromatogram futási idő: kb. 15 min Standardok: anionág: fluorid, klorid, bromid, nitrit, nitrát, foszfát, szulfát kationág: lítium, nátrium, ammónium, kálium, magnézium, kálcium 2. táblázat: DIONEX ICS-3000 típusú ionkromatográfiás rendszerrel történő mérés standarjai Kation standard
Anion standard
Lítium
Koncentráció mg/l 51
+/- 0,2
Fluorid
Koncentráció mg/l 20
Nátrium
201
+/- 1
Klorid
30
Ammónium
403
+/- 5
Nitrit
99,5
Kálium
201
+/-2
Bromid
100
Magnézium
200
+/- 1
Nitrát
100
Kalcium
995
+/-3
Foszfát
150
Szulfát
151
Komponens
Komponens
33
Mintakromatogramok:
34
35
36
37
2. FELADAT: Különböző eredetű vízminták (ivóvíz, felszíni víz, termálvíz, stb.) anion és kation-tartalmának meghatározása ionkromatográfiás módszerrel. A mérés alkalmával kontrolként ultratiszta vizet, illetve standard oldatokat is vizsgálunk. Figyelem! A gyakorlat során a hallgató kizárólag az oktató utasításai alapján végezhet mérést az ionkromatográfiás berendezésen, és csak azokat a részműveleteket végezheti, melyet az oktató lehetővé tesz. 2.1. Eluens és standard oldatok készítése: Eluensek: anionág: 8 mmol/l Na2CO3, 1 mmol/l NaHCO3 kationág: 22 mN = 11 mmol/l H2SO4 Eluens készítéshez használt törzsoldatok (hűtőszekrényben tárolva): anionág: 0,5 mol/l Na2CO3, 0,5 mol/l NaHCO3 kationág: 1 N (=0,5 mol/l) H2SO4 A mérésekhez szükséges eluens készítésekor az anionághoz egy 500 ml-es tiszta és ultratiszta vízzel öblített mérőlombikba mérjen be 8 ml 0,5 mol/l Na2CO3, és 1 ml 0,5 mol/l NaHCO3 oldatokat automata pipettával, majd ultratisztavízzel töltse jelig a lombikot, ezt követően pedig homogenizálja azt. Az elkészített oldatot töltse bele az anionág 2 l-es eluenstároló tartályába, majd merítse bele a szállító kapillárist és a szűrőt, csavarja rá a kupakot a tárolóra. A mérésekhez szükséges eluens készítésekor a kationághoz egy 500 ml-es tiszta és ultratiszta vízzel öblített mérőlombikba mérjen be 11 ml 1 N (=0,5 mol/l) H2SO4 oldatot automata pipettával, majd ultratisztavízzel töltse jelig a lombikot, ezt követően pedig homogenizálja azt. Az elkészített oldatot töltse bele a kationág 2 l-es eluenstároló tartályába, majd merítse bele a szállító kapillárist és a szűrőt, csavarja rá a kupakot a tárolóra. Standardok (törzsoldat, hűtőszekrényben tárolva): anionág (5 x hígítás): fluorid, klorid, bromid, nitrit, nitrát, foszfát, szulfát kationág (50 x hígítás): lítium, nátrium, ammónium, kálium, magnézium, kálcium A mérésekhez szükséges standard oldat készítésekor az anionághoz egy 5 ml-es tiszta és ultratiszta vízzel öblített mérőlombikba mérjen be 1 ml anion standard oldatot automata pipettával, majd ultratisztavízzel töltse jelig a lombikot, ezt követően pedig homogenizálja azt. Az elkészített oldatból töltsön fel egy 5 ml-es mintatároló edényt/vialt. A mérésekhez szükséges standard oldat készítésekor HA NINCS ELŐRE ELKÉSZÍTETT TÖRZSOLDAT (hűtőszekrény) a kationághoz egy 50 ml-es tiszta és ultratiszta vízzel öblített mérőlombikba mérjen be 1 ml kation standard oldatot automata pipettával, majd ultratisztavízzel töltse jelig a lombikot, ezt követően pedig homogenizálja azt. Az elkészített oldatból töltsön fel egy 5 ml-es mintatároló edényt/vialt.
38
2.2. Mintaelőkészítés vízvizsgálatokhoz: Általános tudnivalók: A vízmintavétel után az ionkromatográfiás vizsgálatig a mintákat műanyag edényben (HD-PE, PS, PC) kell tárolni hűtőszekrényben +4 oC-on max. 1 hétig vagy lefagyasztva Az edényeket savazni/mosószerezni nem szabad!!! A mintákat a vizsgálatok előtt egyszer-használatos 0,45 µm pórusméretű membránszűrőn leszűrjük, majd ha szükséges hígítjuk. A hígításhoz ún. ultratiszta vizet (ASTM I. típus) használunk (Millipore Milli-Q I. 3 víztisztító készülék segítségével). - esővíz, ivóvíz, felszíni víz: csak szűrés - talajvíz, szennyvíz: szűrés - termálvíz: a szűrt mintából 10-50-szeres hígítást készítünk (nagy sótartalmú oldatok esetén a kiugróan magas vezetőképesség a detektor által nem érzékelhető) Az így előkészített mintákból a mintával való öblítés után 5-5 ml-t mérünk be a speciális mintatartó edényekbe (vial), majd azokat az automata mintaadagolóba helyezzük, összehasonlításképpen ultratiszta vizet tartalmazó (7 db) és standard oldatokat tartalmazó (1-1 db) mintatartókat is előkészítünk. Minta betöltése: - Az ampullatartó tálca tetejéig kell önteni - Kevesebbet nem szabad beletölteni - Rúd sima végével a záró kupakot betolni (20 mm-es szűrőt még tartalmaz) - Ha a kelleténél több folyadék volt, ilyenkor átjön a dugón. Ezt ki kell önteni. Mintaelőkészítés: Különböző eredetű vízmintákból (ivóvíz, felszíni víz, stb.) 0,45 µm pórusméretű membránszűrőn való szűrést követően töltsön fel 1-1 db 5 ml-es mintatároló edényt/vialt. A termálvizes mintát 0,45 µm pórusméretű membránszűrőn való szűrést követően hígítsa ultratiszta vízzel öblített mérőlombikban ultratiszta vízzel 50 x-ére (1 cm3 mintát mérünk 50 cm3-es mérőlombikba), majd a hígított mintából töltsön fel 1 db 5 ml-es mintatároló edényt/vialt. Ultratiszta vízzel töltsön fel 7 db 5 ml-es mintatároló edényt/vialt. A vizsgálathoz használatos mintatáblázat: Minta hely száma 1. 2. 3. 4. 5. 6. 45. 46. 47. 48. 49. 50.
Minta megnevezés Ultratiszta víz Anion standard Kation standard Ivóvíz minta Felszíni víz minta Termálvíz minta Ultratiszta víz Ultratiszta víz Ultratiszta víz Ultratiszta víz Ultratiszta víz Ultratiszta víz
Minta típus Vak/Blank Standard Standard Unknown Unknown Unknown Vak/Blank Vak/Blank Vak/Blank Vak/Blank Vak/Blank Vak/Blank
39
Megjegyzés
50 x-es hígítás Ezeket a mintákat a szekvenciába nem kell beírni.
Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! Szükséges eszközök/Páronként 2 db 500 cm3-s mérőlombik, 1 db 5 cm3-s mérőlombik,
2 db 50 cm3-s mérőlombik, automata pipetta 0,45 µm pórusméretű membránszűrőn 12 db mintatartó vial
Szükséges vegyszerek Eluensek: anionág: 0,5 mol/l Na2CO3, 0,5 mol/l NaHCO3 kationág: 1 N= 0,5 mol/l H2SO4 Standard oldatok: anionág: fluorid, klorid, bromid, nitrit, nitrát, foszfát, szulfát kationág: lítium, nátrium, ammónium, kálium, magnézium, kálcium Vizsgálandó minták: Különböző eredetű vízminták (ivóvíz, felszíni víz, termálvíz, stb.) Ultratiszta víz
2.3. A mérés menete vízvizsgálatkor: A mérés szoftveresen irányított lebonyolításához használja az 1. sz. mellékletet. Egy-egy minta elemzési ideje kb. 15-20 perc, melyet a készülék automatikusan végez a megadott mintatábla alapján, s mely a képernyőn folyamatosan nyomonkövethető.
3. KIÉRTÉKELÉS: A standard oldatok kromatogramjai alapján a szoftver segítségével a megfelelő retenciós idejű csúcsokat azonosítva, azok területét meghatározva az ismeretlen minta anion és kation koncentrációi meghatározhatók. A kiértékeléshez használja az 1. sz. mellékletet és a gyakorlatvezető utasításait. Foglalja táblázatba a különböző eredetű vízminták (ivóvíz, felszíni víz, termálvíz, stb.) esetén mért anion és kation koncentráció értékeket, adja meg az összes anion és összes kationra vonatkozó adatokat is. Értékelje szövegesen a mérést, a kapott adatokat, illetve a mért minták alapján a vizek minőségét. A kapott kromatogramokat csatolja a jegyzőkönyvéhez.
40
Környezeti minta összes szerves széntartalmának mérése (TOC) 1. A MEGHATÁROZÁS ELMÉLETI HÁTTERE: 1.1. ÖSSZES SZERVES SZÉNTARTALOM (TOC) FOGALMA ÉS MÉRÉSE: A Shimadzu TOC-VCPN készülék alkalmas oldat minták szerves és szervetlen komponenseit jellemző összegparaméter megadására. A paraméterek (TOC/NPOC, TIC) napjainkban a termálvíz-analitikában egyre elterjedtebbek, pontosabbak, mint a kémiai- (KOI), illetve mint a biológiai oxigénigény (BOI). A készülék segítségével több mérési funkció közül is választhatunk: Összes széntartalom (TC) mérése = Összes szerves széntartalom (TOC) + Összes szervetlen széntartalom (TIC): a minta katalitikus oxidációjával képződött szén-dioxid mérés alapján Összes szerves széntartalom (TOC) mérése: TC-TIC, ill. Kiűzhető szerves széntartalom (POC) + Nem kiűzhető szerves széntartalom (NPOC). Összes szervetlen széntartalom (TIC) mérése: a minta savazásával képződött szén-dioxid mérés alapján Nem kiűzhető szerves széntartalom (NPOC), mely gyakorlatilag azonos a TOC-val ha nem tartalmaz a minta illékony szerves vegyületeket.
1.2. ALKALMAZOTT KÉSZÜLÉK ÉS MÉRÉSI MÓDSZER: A Shimadzu TOC-VCPN készülék részegységeit a 3. táblázat, sematikus ábráját és fotóját pedig a 12-13. ábrák mutatja be. 3. táblázat Shimadzu TOC-VCPN készülék alapelemei
Rendszerelem jellemzése
Rendszerelem Mérési lehetőségek Detektor Automata mintaadagoló Méréshatár Kimutatási határ Megismételhetőség Szoftver Kiegészítés
TC, TOC, NPOC, TIC, NDIR (Non-dispersive Infrared) 72 minta bevitelére alkalmas automata mintaadagolóval, illetve mintabeviteli tartozékokkal rendelkezik, szükség esetén kézzel is injektálható 50 ppb-25.000 ppm C 4 µg/l <5% TOC Control-V vezérlő és adatgyűjtó szoftver gázlefejtő panel (fali nyomáscsökkentő panel tűszeleppel, mely szintetikus levegővezetékre illeszthető)
41
12. ábra Shimadzu TOC-VCPN készülék, NPOC mérési mód elvi sémája
13. ábra Shimadzu TOC mérő készülék
A méréseinkhez NPOC üzemmódot használunk, mely során első lépésben kalibráljuk a készüléket. A mérések megkezdése előtt ellenőrizzük a rendszer vegyszer és ultra tiszta víz tartályait és megkezdjük a kalibrációt. Tisztítólépésként ultratiszta vízre lefuttatunk néhány mérést. A kalibrációs görbét a lenti ábra szemlélteti. A TOC Control-V szoftver jól használható és gyors analízist biztosít. A mérési paramétereket SIMKON applikációk és ide vonatkozó magyar szabványok alapján állítottuk össze.
2. FELADAT: Különböző eredetű vízminták (ivóvíz, felszíni víz, termálvíz, stb.) szerves széntartalmának mérése. A mérés alkalmával kontrolként ultratiszta vizet is vizsgálunk. Figyelem! A gyakorlat során a hallgató kizárólag az oktató utasításai alapján végezhet mérést az ionkromatográfiás berendezésen, és csak azokat a részműveleteket végezheti, melyet az oktató lehetővé tesz.
42
2.1. Mintaelőkészítés: Általános tudnivalók: A vízmintavétel után a TOC vizsgálatig a mintákat üvegedényben kell tárolni hűtőszekrényben +4 oC-on max. 1 hétig. Az edényeket savazni/mosószerezni nem szabad!!! A mintákat a vizsgálatok előtt egyszer-használatos 0,45 µm pórusméretű membránszűrőn leszűrjük, majd ha szükséges hígítjuk. A hígításhoz ún. ultratiszta vizet (ASTM I. típus) használunk (Millipore Milli-Q I. 3 víztisztító készülék segítségével). - esővíz, ivóvíz, felszíni víz: csak szűrés - talajvíz, szennyvíz: szűrés - termálvíz: a szűrt mintából 10-50-szeres hígítást készítünk (nagy sótartalmú oldatok esetén a kiugróan magas vezetőképesség a detektor által nem érzékelhető) Az így előkészített mintákból a mintával való öblítés után 40-40 ml-t mérünk be a speciális mintatartó edényekbe, majd azokat az automata mintaadagolóba helyezzük, összehasonlításképpen ultratiszta vizet tartalmazó (1-1 db) mintatartókat is előkészítünk. Mintaelőkészítés: Különböző eredetű vízmintákból (ivóvíz, felszíni víz, stb.) 0,45 µm pórusméretű membránszűrőn való szűrést követően töltsön fel 1-1 db 40 ml-es mintatároló edényt. A termálvizes mintát 0,45 µm pórusméretű membránszűrőn való szűrést követően hígítsa ultratiszta vízzel öblített mérőlombikban ultratiszta vízzel 50 x-ére (1 cm3 mintát mérünk 50 cm3-es mérőlombikba), majd a hígított mintából töltsön fel 1 db 40 ml-es mintatároló edényt/vialt. Ultratiszta vízzel töltsön fel 2 db 40 ml-es mintatároló edényt/vialt. A vizsgálathoz használatos mintatáblázat: Minta hely száma 1. 2. 3. 4. 5.
Minta megnevezés Ultratiszta víz Ivóvíz minta Felszíni víz minta Termálvíz minta Ultratiszta víz
Minta típus Vak/Blank Unknown Unknown Unknown Vak/Blank
Megjegyzés
50 x-es hígítás
Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! Szükséges eszközök/Páronként 1 db 50 cm3-s mérőlombik, automata pipetta 0,45 µm pórusméretű membránszűrőn 5 db mintatartó edény
Szükséges vegyszerek Vizsgálandó minták: Különböző eredetű vízminták (ivóvíz, felszíni víz, termálvíz, stb.) Ultratiszta víz
43
2.2. NPOC mérés kalibrációja: A kalibrációt a gyakorlatvezető korábban a műszeren elvégezte, a mentett adatok használatosak jelen mérés kiértékeléséhez. A kalibráló anyag vízmentes káliumhidrogén-ftalát. A kalibrációhoz 20, 100 és 1000 ppm (mg/l) koncentrációjú oldatot kell készíteni, ezekből hígítva 4-4 pontos kalibrációkat kell elvégezni (4. táblázat). 4. táblázat: Shimadzu TOC-VCPN készülék NPOC mérésének kalibrációs adatai
Kalibrációs mérések, ppm (mg/l)
Kalibrációs pontok, ppm (mg/l)
20 100 1000
1, 5, 10, 20 5, 25, 50, 100 100, 250, 500, 1000
A kalibrációs görbéket a 14-16. ábrák szemléltetik.
14. ábra NPOC kalibráció (terület-koncentráció), 20 ppm (3-3 párhuzamos mérés átlaga)
15. ábra NPOC kalibráció (terület-koncentráció), 100 ppm (3-3 párhuzamos mérés átlaga)
16. ábra NPOC kalibráció (terület-koncentráció), 1000 ppm (3-3 párhuzamos mérés átlaga)
44
2.3. A mérés menete vízvizsgálatkor: A mérés szoftveresen irányított lebonyolításához használja a 2. sz. mellékletet. Egy-egy minta elemzési ideje kb. 20 perc, melyet a készülék automatikusan végez a megadott mintatábla alapján, s mely a képernyőn folyamatosan nyomonkövethető. Alkalmazott mérési módszer: A méréseinkhez NPOC (ami ilyen minták esetében TOC-nak felel meg) üzemmódot használunk előzetes kalibráció alapján. Minden mérés alkalmával ultratiszta vizet is vizsgálunk. A mérési paramétereket az 5. táblázat foglalja össze. 5. táblázat: Módszerfejlesztés a Shimadzu TOC-VCPN készülék NPOC vizsgálataira
Gyári alkalmazás
Rendszerelem Multiple injektálás Mosások száma Párhuzamos injektálások száma Savhozzáadás Injektált térfogat Hígítás készülékkel Purge idő kalibrációs pontok száma SD CV
Módszerfejlesztésbeli alkalmazás
igen/nem max. 10 max. 20
nem 3 3 ill.5
0-20% 10-150 max. 50x max. 20 perc max. 20
2% 50 µl 2-10x 3 perc 3-4
0-9999 0-100%
max. 2% max. 1%
3. KIÉRTÉKELÉS: A kalibrációs adatok alapján a szoftver segítségével az ismeretlen minta TOC értékei meghatározhatók. A kiértékeléshez használja a 2. sz. mellékletet és a gyakorlatvezető utasításait. Foglalja táblázatba a különböző eredetű vízminták (ivóvíz, felszíni víz, termálvíz, stb.) esetén mért TOC értékeket, értékelje szövegesen a mérést, a kapott adatokat, illetve a mért minták alapján a vizek minőségét. A kapott eredménylapokat csatolja a jegyzőkönyvéhez.
45
MELLÉKLETEK 1. melléklet Használati útmutató a DIONEX ICS 3000 készülékhez és a CHROMELEON szoftverhez ELOSZTÓ-FŐKAPCSOLÓJÁNAK BEKAPCSOLÁSA → KÉSZÜLÉK INDUL 1. KARBANTARTÁS: Eluenses elfolyó hulladéktartály ürítése! Ne lógjon a kapilláris a hulladékba! 2. USB kulcs aktiválás (Chromeleon Server Monitor – Start; asztalon jobb oldalon van) 3. CHROMELEON PROGRAM megnyitása 4. PUMPA HÁTTÉRMOSÓ CSERE; víz – hetente, víz + alk. ritkábban, perisztaltikus pumpa visszaakasztása. 5. BROWSER: 1-INSTRUMENT PANEL megnyitása 6. ELUENS FÖLRAKÁSA, térfogat beállítása (Isocratic pump, eluent level, display) 7. PURGE/PRIME SZELEP kinyit – fél fordulat 8. Bekapcsolás: Motor ON Prime ON (5 min 6 ml/min) beállítva (30 ml eluens) 9. PURGE/PRIME SZELEP szelep elzárása (kézzel). 10. KOLONNÁK FELSZERELÉSE (Anionág hátul, kationág elől!), villáskulccsal szorítás. 11. Kolonna (30 C) + Detektor (35 C) fűtésének bekapcsolása, detektor ház ajtó zárása! 12. ISOCRATIC PUMP fül Pumpa bekapcsolás 0,1 ml/perc. Áramoltatás a sebesség emelése percenként 0,1 ml/perccel! (Alsó nyomáshatár: 0, felső 4000 psi) Ahogy elindul a pumpa az eluenssel, a szupresszort (CSRS, ASRS) be kell kapcsolni Szupresszor áramának számítása: o anionág: ASRS 300, 4 mm visszaforgatott eluens üzemmód, 35 C, Calculate current (8 mmol/l Na2CO3, 1 mmol/l NaHCO3): 43 mA, o kationág: CSRS 300, 4 mm visszaforgatott eluens üzemmód, 35 C, Calculate current (11 mmol/l H2SO4): 69 mA Indítás: v. a DC-nél v. Home-nál Max. nyomásérték: 276 bar (ha koszos a rendszer nő a nyomás!) 13. SZEKVENCIA/MINTATÁBLA MEGÍRÁSA: DATA könyvtár, FILE- new directory; file-ok másolása, típus single.
46
Név, jobb egér gomb- PROPERTIES, Name: bemérés, hígítás, OK vagy OK and Next one. (Sample name-jelölés, Name: Mintavétel helye.) 14. AUTOSAMPLER: Carousel release gomb megnyomása minták betöltése előtt (kilazul és elfelejti az előző szekvenciát!), valamint a szekvencia megírása után is (beáll a megfelelő pozícióba!). Mérés közben tilos megnyomni! 15. BASELINE MONITOR indítása (ON). Ha az alapvonal jó: a detektor jel jó, nyomásgörbe jó → mérés indítása (kb. 10 percig járatni kell!!) Baseline monitor leállítása (OFF) 16. A MÉRÉS INDÍTÁSA: Edit Batch fül (fent ikonon!) Kiválasztani a megírt aktuális szekvenciát (ADD) (akár többet is, sorrend csere is lehet, move up/down stb.) vagy leállítás: method → shut down method Szekvencia megírása bármikor Panel Tabset letéve kicsibe, és megírni /Kell egy Program (+ egy Kiértékelési program) majd szekvencia/ - Indítás előtt Ready check → OK 15.Ha minden oké, kiírja, mennyi hely kell az adatoknak, mennyi eluens fog fogyni – Start – indítás LEÁLLÍTÁS, KARBANTARTÁS, ADATOK MENTÉSE 1. Kezelőpanel: (Mindkét ágon 0,1 ml/perccel áramlik a pumpán az eluens a mérések után, a nyomás a két pumpán kb. 1-1 bar). 2. Pumpák lekapcsolása (MOTOR OFF-MOTOR OFF). 3. A kapillárisok átrakása az eluens-tartókból Ultratiszta vizet (UT) tartalmazó edénybe. 4. PURGE szelep kézzel nyit: fél fordulat, anion és kationág. 5. ISOCRATIC PUMP fül: Prime szelepek ON, (ablak ugrik, nyitva van-e a szelep, OK.) 5 perc, 6 ml/perc mosatás. 6. PURGE alatt: Kolonnák kiszerelése (Anionág hátul, kationág elől!) Csatlakozók felhelyezése a kolonnák helyére. 7. PURGE szelep elzárása. 8. Pumpa ON-1 ml/perc UT vízzel (nincs kolonna, rögtön teljes flow-val mehet). 9. DC fül: ASRS, CSRS bekapcsolás: rövid ideig a mosatásig, ami kb. 2 perc (Az eluenseket kell megadni az áramhoz, vízzel nem számol áramot!: Szupresszor áramának számítása: o anionág: ASRS 300, 4 mm visszaforgatott eluens üzemmód, 35 C, Calculate current (8 mmol/l Na2CO3, 1 mmol/l NaHCO3): 43 mA, o kationág: CSRS 300, 4 mm visszaforgatott eluens üzemmód, 35 C, Calculate current (11 mmol/l H2SO4): 69 mA Indítás: v. a DC-nél v. Home-nál 10. Cond. det. fül: vezetőképesség csökken a mosatás hatására. 11. Mintaadagoló: AS-DV ez mosva volt, mert az utolsó minta UT víz volt. 12. A műszer tetején: VALVE 1 és 2. megnyomása: LOAD: mintabeviteli hurok mosatása pár percig, 1-2x ismételni. VALVE 1 és 2. megnyomása LOAD világít. 13. ASRS, CSRS szupresszorok kikapcsolása (a cső nem buborékol!). 14. Perisztaltikus pumpa kiakasztása.
47
15. HOME, Heater OFF, Pumpa OFF. 16. Kikapcsolás: Gépen hosszan OFF., víz kiöntése ADATOK MENTÉSE: 1. DATA: adott dátumú mérés kiválasztása 2. FILE-EXPORT/Backup (Destination: a pendrive; Title megadni, alatta az 5 pipából a 3.4. pipa, a többi nem-START. 3. Kiértékelés: FILE-IMPORT/Restore-RESTORE-ANDI LEÁLLÍTÁS: Server Monitor: STOP Server, USB kulcs kihúzása. SZÁMÍTÓGÉP kikapcsolása. ADATOK FELDOLGOZÁSA, EREDMÉNYEK MEGADÁSA: Kiértékelés: FILE-IMPORT/Restore-RESTORE-ANDI
48
2. melléklet Használati útmutató a Shimadzu TOC-VCPN készülékhez és TOC Control-V szoftverhez TELJES MÉRÉS LEBONYOLÍTÁSA KALIBRÁCIÓVAL, ÉRTÉKELÉSSEL, RIPORTNYOMTATÁSSAL Bekapcsolás előtti ellenőrzés, KARBANTARTÁS: feltöltés vízzel (ultra tiszta víz), savval (2 M HCl-oldat), 48-51. o. 236-237. o. FORRÁS: TUTORIAL FEJEZET, 92-121. oldal 0. Bekapcsolás (gáz, elektromos) 89-90. oldal 1. TOC Control V megnyitása 1. New Sample Table létrehozása (EDITOR), 96. oldal 2. File – New – Sample Run 3. Connect (kapcsolódás a program és a műszer között), fűtés ellenőrzése, Background monitor bekapcsolása kontrollként. 98. oldal 4. Karbantartás folytatása: Instrument – maintanence: Residue Removal, Replace flowline content, Washing füleket egyenként futtatni. 5. Ha nincs: Calibration Curve létrehozása, 100. oldal Insert (Calibration Curve) a Sample Table-ba, 6. Ha nincs: Method File létrehozása, 108. oldal 7. Method file ellenőrzése az AUTOGENERATE előtt: Megnyitás – módszer – NPOC vagy más. Kalibrációk be vannak-e illesztve? Multiple injection- rövidíti a módszert, egy buborékoltatásból csinál 3 mérést. Hígítások beállítása, stb. 8. Sample table létrehozása: AUTOGENERATE: Módszer kiválasztása a vízminta típusa szerint vannak meglévő módszerek. Minta leírása a Sample Table-ba, 111. oldal, Save Mintatáblában a propertiesnél lehet beállítani soronként a változásokat, pl. a hígítást a Parameter fülnél. 105. oldal Esetleges mintahelycsere esetén – View-ASI előhívása, javítás: ampullaszám vagy pozíció. 9. Save Sample Table, 107. oldal 9.1.
Control sample template létrehozása, 194. oldal
9.2.
Control sample beillesztése a Sample Table-ba, 203. oldal
49
10. Background Monitor, indítás előtti újbóli ellenőrzés, majd bezárás. 112. oldal 11. Start, Shut down kiválasztása (View ASI ellenőrzése, Externel Acid Addition- OK!) 113. oldal, 208. oldal 12. Mérés követése menet közben Sample Window-ban, 113. oldal 13. Kalibráció ellenőrzése: View → Calibration Curve, 115. oldal 14. Minta eredmények áttekintése, 116. oldal 15. Riport összeállítása és nyomtatás, 117. oldal 16. Műszer leállítása a mérés végén, 120. oldal (Magától leáll, kimosódott vízzel a mosóprogram alapján!). D: TOC 3201.- EXPORT 1- névvel: Az adatokat itt tárolja. Adatmentés: FILE: ASCI II. Export – 1. fül kiválasztása a 3 lehetséges mentési mód közül. Excel megnyílik: Befejezés – Mentés máskén: D-re vagy excelben a Pendrive-ra. PRINT: adatok nyomtatása
50
