1

Kolorymetryczne oznaczanie stężenia Fe

3+

metodą rodankową

(opracowanie instrukcji: Barbara Krajewska)

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawami spektrofotometrii absorpcyjnej w

świetle widzialnym i jej zastosowaniami analitycznymi. W ćwiczeniu wykonamy oznaczenie

ilościowe jonów Fe

3+

w roztworze metodą rodankową (tiocyjanianową).

1. Podstawy teoretyczne

Spektrofotometria absorpcyjna w świetle widzialnym (kolorymetria) jest techniką

instrumentalną wykorzystującą istnienie barw substancji. Substancje są barwne z powodu

tego, że absorbują światło z zakresu widzialnego w sposób selektywny. Badamy więc jaki

kolor ma substancja (długość absorbowanej fali świetlnej



max

) i jaka jest wielkość absorpcji

tej fali (absorbancja A).

Światło to promieniowanie elektromagnetyczne, czyli zbiór fal elektromagnetycznych

o różnych długościach



(Rys. 1). Światło widzialne (białe) stanowi niewielką część

promieniowania elektromagnetycznego, na którą reaguje siatkówka oka człowieka w procesie

widzenia. Obejmuje ono zakres długości fal w przybliżeniu 380-780 nm.

Rys. 1 Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Fale z zakresu światła widzialnego w zależności od swojej długości wywołują w naszym oku

różne wrażenia kolorystyczne (Rys. 1), np. kolor fioletowy to fale o



między ok. 380 i 420

nm, kolor żółty, między ok. 550 i 580 nm, itd., ale wszystkie te fale razem zmieszane dają

wrażenie światła białego. Jeśli jednak z tej mieszaniny fal o różnych długościach

stanowiących światło białe, zostaną usunięte jakieś wybrane fale, to do naszego oka trafią

wszystkie pozostałe, wywołując wrażenie barwne inne niż białe. Tak się dzieje, gdy światło

białe padając na substancję ulegnie selektywnej absorpcji, tzn. część fal o wybranych

2

długościach zostaje przez tę substancję zatrzymana, a reszta nie, wobec czego do naszego oka

dostarczony zostanie zbiór fal, które pozostały niezatrzymane. Odpowiedzialne za tę

selektywną absorpcję światła są oddziaływania fal elektromagnetycznych z zakresu

widzialnego z materią. Fale o tych długościach są mianowicie zdolne do wywołania

wzbudzeń elektronowych, które to wzbudzenia, żeby zaszły muszą mieć dostarczoną

właściwą porcję energii. Wymaga to, by w cząsteczce takiego związku występowały

ugrupowania atomów, których elektronowe poziomy energetyczne odpowiadają kwantom

promieniowania niesionego przez fale światła białego (chromofory).

Jeśli dla wybranej substancji zmierzyć, w jakim stopniu absorbuje ona fale o

kolejnych długościach z zakresu widzialnego, to otrzymamy zależność absorbancji A od

długości fali



. Zależność ta nosi nazwę widma absorpcyjnego i jest charakterystyczna dla

danej substancji. Jeśli ta substancja w ogóle nie absorbuje światła (A = 0 dla wszystkich



), to

jej widmo powinno być linią prostą położoną na osi x; jeśliby absorbowała fale o wszystkich



w jednakowym stopniu, to jej widmo byłoby prostą równoległą do osi x; lecz jeśli ta

substancja pochłania fale tylko o niektórych długościach (selektywnie), to otrzymujemy

wówczas charakterystyczne widmo, które pokazuje, które fale (



) i w jakim stopniu (A)

zostały pochłonięte przez tę substancję. Widma absorpcyjne substancji barwnych w świetle

widzialnym mają zwykle nieskomplikowany kształt krzywych dzwonowych, których

maksimum występuje przy długości fali



max

odpowiedzialnej za obserwowaną barwę.

400

500

600

700

800



, nm

A



max

c

A

widmo w świetle widzialnym krzywa wzorcowa

(a)

(b)

Rys. 2. (a) Przykładowe widmo w świetle widzialnym i (b) przykładowa krzywa wzorcowa

(krzywymi przerywanymi zaznaczono odstępstwa absorbancji od prawa Lamberta-Beera)

Przykład takiego widma przedstawiono na Rys. 2a dla roztworu o kolorze niebieskim.

Widmo to pokazuje, że w zakresie światła widzialnego fale o różnych długościach

3

absorbowane są przez tę substancję w różnym stopniu, lecz w największym stopniu

absorbowana jest fala o długości 630 nm (



max

) leżąca w obszarze koloru pomarańczowego

(Rys. 1). Oznacza to, że w największym stopniu przepuszczana jest przez ten roztwór fala o

długości odpowiadającej barwie dopełniającej do pomarańczowej, w rozważanym przypadku,

barwie niebieskiej, którą widzi nasze oko. Reguła ta stosuje się do wszystkich substancji

barwnych, tzn. substancje wykazują określoną barwę wskutek absorpcji fal, z których

najbardziej absorbowana jest fala o długości odpowiadającej barwie dopełniającej do barwy

widocznej. W sposób przybliżony barwy dopełniające pokazuje znany ze szkoły krążek barw

(Rys. 3), w którym barwy te znajdują się naprzeciw siebie. Z uwagi na fakt, że



max

daje

najwyraźniejsze zmiany absorbancji zależne od stężenia tej substancji, to właśnie tę długość

wykorzystuje się w analitycznych oznaczeniach spektrofotometrycznych.

Rys. 3. Krążek barw (po obwodzie koła rozciągnięte jest widmo światła białego (Rys. 1);

barwy dopełniające znajdują się w krążku naprzeciw siebie

1.2. Prawo Lamberta-Beera

Jeżeli na próbkę o grubości l pada promieniowanie monochromatyczne (o jednej

długości fali) o natężeniu I

o

, to część promieniowania zostanie rozproszona I

r

, część zostanie

zaabsorbowana I

a

, a część zostanie przepuszczona przez tę próbkę I

t

, więc:

I

o

= I

r

+ I

a

+ I

t

(1)

W oznaczeniach analitycznych dbamy o to, by rozproszona część promieniowania I

r

była jak

najmniejsza, wobec tego w dalszych rozważaniach można ją zaniedbać:

I

o

= I

a

+ I

t

(2)

Stosunek natężenia promieniowania przepuszczonego przez ośrodek absorbujący światło I

t

do

natężenia padającego I

o

, wyrażony w procentach nosi nazwę transmitancji:

4

T =

o

t

I

I

(3)

Natomiast absorbancja (użyta wcześniej na Rys. 2a) zdefiniowana jest jako:

A = log

T

1

= log

t

o

I

I

(4)

Absorpcję światła przez jednoskładnikowy ośrodek homogeniczny (np. roztwór

wodny substancji barwnej) opisuje prawo Lamberta-Beera. Mówi ono, że absorbancja

ośrodka absorbującego jest proporcjonalna do stężenia substancji absorbującej i do grubości

warstwy, przez którą przechodzi promień:

A =



· l · c (5)

gdzie



jest współczynnikiem absorpcji, który jest wielkością charakterystyczną dla danej

substancji (niezależną od stężenia, grubości warstwy absorbującej i natężenia

promieniowania); l jest grubością warstwy, a c jest stężeniem substancji. Wymiar

współczynnika



jest skorelowany z wymiarem stężenia c. Zgodnie z równ. (5) graficzna

zależność absorbancji A od stężenia c ma postać prostej o współczynniku kierunkowym

równym



· l, przechodzącej przez początek układu współrzędnych (Rys. 2b).

Prawo Lamberta-Beera jest podstawą zastosowań spektrofotometrii absorpcyjnej w

oznaczeniach ilościowych. W oznaczeniach tych najczęściej stosuje się metodę krzywej

wzorcowej zgodnie z równ. (5) (Rys. 2b). W tym celu należy wykonać następujące

czynności:

(i) przygotować serię roztworów badanej substancji o znanych stężeniach,

(ii) dla jednego z roztworów wyznaczyć widmo, A w funkcji



(np. jak na Rys. 2a) i z widma

odczytać



max

,

(iii) dla długości fali



max

zmierzyć absorbancje roztworów wzorcowych i wyznaczyć krzywą

wzorcową, A w funkcji c (np. jak na Rys. 2b),

(iv) zmierzyć absorbancję próbki badanej (dla



max

) i z krzywej wzorcowej odczytać

oznaczane stężenie.

Krzywe wzorcowe nadają się do zastosowania tylko wtedy, gdy absorpcja światła

przez oznaczany związek spełnia prawo Lamberta-Beera, tzn. krzywa ma przebieg

prostoliniowy. Dla wyższych stężeń substancji często obserwuje się odstępstwa od

prostoliniowości (zaznaczone przykładowo krzywymi przerywanymi na Rys. 2b); wtedy do

oznaczeń wybieramy tylko część prostoliniową krzywej.

5

Do kolorymetrycznych oznaczeń wykorzystuje się barwę własną oznaczanej

substancji, lub związku, w który ta substancja, jeśli bezbarwna, została stechiometrycznie

przeprowadzona. Zaletą metod kolorymetrycznych jest duża szybkość wykonania oraz

możliwość oznaczania czasami bardzo małych ilości substancji ze stosunkowo dużą

dokładnością. Metody te są wykorzystywane bardzo często np. w diagnostyce medycznej,

kontroli przemysłowej itp. Pomiary absorbancji wykonuje się przy użyciu spektrofotometrów

popularnie nazywanych Spekolami.

Należy pamiętać, że metody spektrofotometryczne z zastosowaniem krzywej

wzorcowej są metodami porównawczymi. Dokładność oznaczeń przy ich użyciu w dużej

mierze zależy od właściwego przygotowania roztworów wzorcowych i dokładności

pomiarów.

2. Wykonanie ćwiczenia – instrukcja

Na ćwiczenia proszę przynieść: papier milimetrowy, linijkę, zaostrzony ołówek i gumkę.

Odczynniki i sprzęt: roztwór podstawowy soli żelaza(III) o stężeniu 0,10 mg Fe

3+

/cm

3

,

2



M



HNO

3

, 10 % KSCN, kolbki na 100 cm

3

, pipety, gruszki do pipetowania; spektrofotometr

w świetle widzialnym (obsługę spektrofotometru wyjaśni prowadzący w czasie pomiaru).

Zasada oznaczenia:

W celu kolorymetrycznego oznaczenia ilościowego jonów Fe

3+

przeprowadza się te

jony w krwisto-czerwony rodanek (tiocyjanian) żelaza:

Fe

3+

+ 3 SCN

−

→ Fe(SCN)

3

(6)

Reakcję przeprowadza się w środowisku słabo kwaśnym. W tych warunkach oprócz rodanku

żelaza w reakcji tej tworzą się kompleksy Fe(III) o różnym składzie: od Fe[SCN]

2+

do

Fe[(SCN)

6

]

3−

, również czerwone. Do oznaczenia zastosujemy metodę krzywej wzorcowej.

Uwaga: Pracujemy w grupach 4-osobowych; sprawozdanie piszą studenci jedno na taką

grupę.

Przygotowanie roztworów wzorcowych i próbki do analizy:

1. Przygotować 8 kolbek miarowych o pojemności 100 cm

3

, ponumerowanych od 0 do 7. W

6

kolbkach od 0 do 6 przygotujemy roztwory wzorcowe o określonych stężeniach Fe

3+

do

wyznaczenia krzywej wzorcowej. Roztwór w kolbce 0 będzie miał stężenie Fe

3+

równe 0

(jest to pełnoprawny punkt krzywej wzorcowej); roztwór ten zastosujemy jako tzw. próbę

ślepą (roztwór porównawczy). W kolbce 7 natomiast studenci przygotują otrzymane do

oznaczenia zadanie Fe

3+

. Oddać czystą kolbkę 7 prowadzącemu na zadanie.

2. Do kolbek 1-6 odmierzyć pipetą 1,00; 2,00; 3,00; 4,00; 5,00 i 6,00 cm

3

roztworu

podstawowego Fe

3+

. Ponieważ roztwór podstawowy zawiera 0,10 mg Fe

3+

/cm

3

, to po

rozcieńczeniu odmierzonych objętości do 100 cm

3

otrzymamy stężenia: 0,10; 0,20; 0,30;

0,40; 0,50 i 0,60 mg Fe

3+

/100 cm

3

.

3. Do wszystkich kolbek 0-7 dodać pipetami po 2 cm

3

2 M HNO

3

i po 10 cm

3

10 % KSCN.

Uważać, by pipetując nie przenosić roztworów z kolbki do kolbki (nawet mikro-ilości),

zwłaszcza do kolbki 0, która ma nie zawierć Fe

3+

(nie może przyjąć koloru różowego).

4. Kolbki dopełnić wodą destylowaną do kreski (pod kreskę z butli; do kreski, plastikową

pipetką lub tryskawką). Kolbki zatkać korkami i roztwory dokładnie wymieszać.

5. W zeszycie laboratoryjnym założyć Tabele 1 i 2:

Tabela 1. Widmo absorpcyjne kompleksu Fe-SCN w świetle widzialnym

Długość fali, nm

Absorbancja

400

410

itd.

…

…

…

Tabela 2. Krzywa wzorcowa

Stężenie Fe

3+

, mg/100 cm

3

Absorbancja dla



max

0,00

0,10

0,20

itd.

analizowana próbka

0,00

...

...

...

…

Pomiar widma absorpcyjnego dla kompleksu Fe-SCN i wyznaczenie



max

6. Dla roztworu nr 4 zmierzyć absorbancje w zakresie długości fal



od 400 do 600 nm w

odstępach długości fal co 10 nm. Wyniki zanotować w Tabeli 1, a na papierze

milimetrowym narysować widmo: A w funkcji



.

7

7. Odczytać



max

, tj. długość fali, przy której występuje maksimum absorbancji dla

kompleksów Fe-SCN.

Wyznaczenie krzywej wzorcowej

8. Zmierzyć absorbancje roztworów wzorcowych 1-6 dla długości fali



max

wobec próby

ślepej (roztwór 0). Wyniki zanotować w Tabeli 2, a na papierze milimetrowym narysować

krzywą wzorcową, A w funkcji stężenia Fe

3+

(mg/100



cm

3

); poprowadzić prostą

(uwzględnić punkt zerowy krzywej wzorcowej). Uwaga: Do sprawozdania wyznaczyć

równanie prostej metodą regresji liniowej (metodą najmniejszych kwadratów).

Pomiar absorbancji dla próbki otrzymanej do analizy

9. Zmierzyć absorbancję próbki otrzymanej do analizy (kolbka nr 7) dla długości fali



max

.

Wynik zapisać w Tabeli 2.

10. Z prostej wzorcowej odczytać stężenie Fe

3+

(mg/100 cm

3

)

w próbce i sprawdzić u

prowadzącego. Uwaga: W sprawozdaniu stężenie Fe

3+

obliczyć z równania prostej.

Środki ostrożności: HNO

3

jest substancją żrącą.

Postępowanie z odpadami: Wszystkie odpady wylać do zlewu.

3. Sprawozdanie:

1. Krótko przedstawić zasadę wykonanego oznaczenia.

2. Krótko opisać wykonanie ćwiczenia.

3. Przedstawić wyniki pomiaru widmowego w postaci Tabeli 1 i wykresu A w funkcji



.

Podać wartość



max

.

4. Przedstawić wyniki pomiarów absorbancji do krzywej wzorcowej, w postaci Tabeli 2 i

wykresu A w funkcji c

Fe+3

(mg/100 cm

3

). Do punktów eksperymentalnych dopasować

prostą metodą regresji liniowej (metodą najmniejszych kwadratów) i podać jej równanie.

5. Z równania prostej wzorcowej obliczyć stężenie Fe

3+



0,01 mg/100 cm

3

:

prawo Lamberta-Beera: A = 0 +



· l · c

wyznaczona prosta: y = a + b · x

gdzie zmienna niezależna x = c, zmienna zależna y = A, a współczynniki prostej są

następujące: punkt przecięcia z osią y, a ≈ 0, współczynnik kierunkowy prostej b =



· l.

Stąd c analizowanej próbki =

b

a

A

_

próbki