UNIWERSYTET GDAŃSKI

WYDZIAŁ CHEMII

Pracownia studencka

Katedry Analizy

Ś

rodowiska

Instrukcja do

ć

wicze

ń

laboratoryjnych

OZNACZANIE ŚLADOWYCH ILOŚCI JONÓW

OŁOWIU W WODZIE METODĄ ATOMOWEJ

SPEKTROSKOPII ABSORPCYJNEJ

Ć

wiczenie nr 5

Monitoring i ocena

ś

rodowiska

Gda

ń

sk, 2008

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

2

1. Występowanie metali w środowisku

1.1. Metale w wodach

Wszystkie wody znajdujące się na powierzchni Ziemi (wody powierzchniowe) tworzą

hydrosferę o masie ok. 1,35

×

10

18

t (z czego 98% to morza i oceany, tylko 2% udział mają wody

lądowe). Woda hydrosfery to rozcieńczony roztwór różnych związków chemicznych. Na tej

podstawie wody dzieli się na słodkie i słone (Tab. 1).

Tab. 1. Zawartość podstawowych jonów w wodach morskich i rzecznych (mg/dm

3

).

Wody

Jony

morskie

rzeczne

Na

+

10500

7,6

K

+

400

2

Mg

2+

1300

4,5

Ca

2+

400

19,5

Cl

-

19000

8,9

SO

4

2-

2700

16,2

HCO

3

-

140

65,5

Szczególne znaczenie ma zanieczyszczenie wód pierwiastkami śladowymi (Tab. 2).

Zanieczyszczenia te zależą od czynników naturalnych i antropogenicznych, przy czym substancje te

mogą przedostawać się do wód bezpośrednio lub pośrednio.

•

Bezpośrednio powierzchniowe wody śródlądowe, morskie wody przybrzeżne, wody

atmosferyczne, wody glebowe i płytkie wody gruntowe, mogą zostać zanieczyszczone

ściekami przemysłowymi i komunalnymi, ługowaniem różnych substancji chemicznych z

wysypisk odpadów, opadami pyłów atmosferycznych, wymywaniem z gleb zawierających

nawozy mineralne oraz środkami ochrony roślin.

•

Pośrednio - ścieki komunalne, przemysłowe i kopalniane w bezpośrednim sąsiedztwie

powodują wyraźny wzrost stężenia pierwiastków śladowych w wodzie, osadach dennych i

organizmach wodnych. Jednak część tych zanieczyszczeń może być przenoszona dalej w

ciekach wodnych. Wody kopalniane mogą migrować na znaczne głębokości powodując

zanieczyszczenie wód wgłębnych.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

3

Tab. 2. Zawartość śladowych i podrzędnych pierwiastków w wodach morskich i rzecznych (

µµµµ

g/dm

3

).

Wody

Wody

Pierwiastek

morskie

rzeczne

Pierwiastek

morskie

rzeczne

Ag

0,04

0,03

Mn

0,2

15

Al

2

300

Mo

7

1,7

As

7

2

Nb

0,01

-

B

4440

15

Ne

0,1

-

Ba

13

10

Ni

0,5

1,6

Be

0,006

0,3

Pb

0,03

1,5

Bi

0,02

0,02

Rb

120

1

Br

67000

14

Sb

0,2

0,2

Cd

0,1

0,2

Se

0,2

0,2

Co

0,01

0,2

Si

2200

7000

Cr

0,3

1

Sn

0,004

0,009

Cs

0,3

0,02

Sr

7900

70

Cu

0,2

2

Ti

1

5

F

1300

100

Tl

0,02

-

Fe

1

300

U

3,2

0,4

Ga

0,03

0,09

V

2,5

0,5

Ge

0,05

-

W

0,1

0,03

Hg

0,02

0,07

Y

0,01

-

I

60

2

Zn

2

18

Li

180

2

Zr

0,03

0,8

Dopuszczalna

zawartość

pierwiastków

śladowych

w

śródlądowych

wodach

powierzchniowych oraz ich zawartość w ściekach odprowadzanych do wód lub do gleb, jest

regulowana określonymi normami, które przedstawiono w Tab. 3.

Ustala się trzy kategorie jakości wody:

•

kategoria A1 — woda wymagająca prostego uzdatniania fizycznego, w szczególności

filtracji oraz dezynfekcji,

•

kategoria A2 — woda wymagająca typowego uzdatniania fizycznego i chemicznego, w

szczególności utleniania wstępnego, koagulacji, flokulacji, dekantacji, filtracji, dezynfekcji

(chlorowania końcowego),

•

kategoria A3 — woda wymagająca wysoko sprawnego uzdatniania fizycznego i

chemicznego, w szczególności utleniania, koagulacji, flokulacji, dekantacji, filtracji,

adsorpcji na węglu aktywnym, dezynfekcji (ozonowania, chlorowania końcowego).

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

4

Tab. 3. Wymagania, jakim powinny odpowiadać kategorie jakości wody A1 – A3. Załącznik nr 1 do
rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 27 listopada 2002r. (poz. 1728).

Wartości graniczne wskaźników jakości wody

A1

A2

A3

L.p.

Wskaźniki

jakości wody

Jednostki

miary

Zalecane

Dopusz-

czalne

Zalecane

Dopusz-

czalne

Zalecane

Dopusz-

czalne

1

pH

6,5-8,5 6,5-8,5 5,5-9,0

5,5-9,0

5,5-9,0

5,-9,0

2

Barwa

mg/l

10

20*

2)

50

100*

2)

200*

2)

3

Zawiesiny

ogólne

mg/l

25

25

30

35

4

Temperatura

ºC

22

25*

2)

22

25*

2)

22

25*

2)

5

Przewodność

µS/cm

przy 20 ºC

1000

1000

1000

1000

1000

1000

6

Zapach

Stopień

rozcieńczen

ia przy 25

ºC

3

3

10

10

20

20

7

Azotany

mg/l

25

50*

2)

50*

2)

50*

2)

8

Fluorki

mg/l

0,7-1,0

1,5*

0,7-1,7

1,5

0,7-1,7

1,5

9

śelazo

mg/l

0,1

0,3*

1,0

2,0*

1,0

2,0

10

Mangan

mg/l

0,05

0,05

0,1

0,1

1,0

1,0

11

Miedź

mg/l

0,02

0,05*

2)

0,05

0,05

1,0

0,5

12

Cynk

mg/l

0,5

3,0*

1,0

5,0*

1,0

5,0*

13

Bor

mg/l

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

1,0

14

Nikiel

mg/l

0,05

0,05

0,2

15

Wanad

mg/l

1,0

1,0

1,0

16

Arsen

mg/l

0,01

0,05*

0,05*

0,05

0,05*

17

Kadm

mg/l

0,001

0,005*

0,001

0,005*

0,001

0,005*

18

Chrom ogólny

mg/l

0,05*

0,05*

0,05*

19

Chrom

+6

mg/l

0,02*

0,02*

0,02*

20

Ołów

mg/l

0,05*

0,05*

0,05*

21

Selen

mg/l

0,01*

0,01*

0,01

22

Rtęć

mg/l

0,0005 0,001* 0,0005

0,001*

0,0005

0,001*

23

Bar

mg/l

0,1*

1,0*

1,0*

Dla jednolitej oceny stopnia zanieczyszczenia wód opracowano zestaw metod, które

należy wykorzystywać w badaniach próbek środowiskowych. Dla oceny próbek wody zestaw

referencyjnych analiz przedstawiono w Tab. 4, a w Tab. 4a przedstawiono metody analiz

pierwiastków śladowych.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

5

Tab. 4. Metodyki referencyjne analiz. (Na podstawie: rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 27 listopada
2002 r. w sprawie wymagań, jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do
zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia).

Granica

wykrywalności

Precyzja

Dokładność

Referencyjne metody pomiaru

L.p.

Wskaźniki

jakości wody

Jednostki

miary

% wartości wskaźników

1

pH

-

0,1

jednostki

0,2

jednostki

- Potencjometryczna

2

Barwa

mg/l

5

10

20

-Spektrometria UV-Vis

3

Zawiesiny ogólne

mg/l

5

5

10

-Grawimetryczna

4

Temperatura

°C

-

0,5°C

1°C

-Termometryczna

5

Przewodność

µS/cm

przy 20°C

5

5

10

-Konduktometryczna

6

Zapach

Stopień

rozcieńczenia

przy 25°C

-

-

-

-Metoda kolejnych rozcieńczeń

7

Azotany

mg/l

10

10

20

-Spektrometria UV/Vis

-Chromatografia jonowa

8

Fluorki

mg/l

10

10

10

-Spektrometria UV/Vis

-Potencjometryczna z wykorzystaniem elektrody
jonoselektywnej

-Chromatografia jonowa

9

Cyjanki

mg/l

10

10

10

-Spektrometria UV/Vis

10

Siarczany

mg/l

10

10

10

-Grawimetryczna

-Potencjometryczna

-Chromatografia jonowa

11

Chlorki

mg/l

10

10

10

-Miareczkowa

-Potencjometryczna z wykorzystaniem elektrody
jonoselektywnej

-Chromatografia jonowa

12

Substancje

powierzchniowo

czynne

anionowe

mg/l

20

20

20

-Spektrometria UV/Vis

-Wysokosprawna chromatografia cieczowa-HPLC

13

Substancje

powierzchniowo

czynne

niejonowe

mg/l

25

25

25

-Spektrometria UV/Vis

14

Fosforany

mg/l

10

10

10

-Spektrometria UV/Vis

-Atomowa spektrometria emisyjna ze wzbudzeniem w
plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES

15

Fenole (indeks fenolowy)

mg/l

20

20

20

-Spektrometria UV/Vis

16

Rozpuszczone

lub zemulgowane

węglowodory

mg/l

20

20

20

-Spektrometria w podczerwieni

-Grawimetryczna

17

Wielopierścieniowe

węglowodory aromatyczne

mg/l

25

25

25

-Wysokosprawna chromatografia cieczowa-HPLC

-Wysokosprawna chromatografia gazowa GC

18

Pestycydy ogólne

mg/l

25

25

25

-Wysokosprawna chromatografia cieczowa-HPLC

-Wysokosprawna chromatografia gazowa GC

19

Chemiczne

Zapotrzebowanie

Tlenu(ChZT)

mg/l

20

20

20

-Miareczkowa

20

Tlen rozpuszczony

mg/l

20

20

20

-Elektrochemiczna

21

Biochemiczne

Zapotrzebowanie

Tlenu (BZT

5

)

mg/l

20

20

20

-Elektrochemiczna

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

6

Tab. 4a . Metodyki referencyjne analiz przygotowane na podstawie rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia
27 listopada 2002r. w sprawie wymagań, jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do
zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia dotyczące pierwiastków śladowych.

Granica

wykrywalności

Precyzja

Dokładność

Referencyjne metody pomiaru

L.p.

Wskaźniki

jakości

wody

Jednostk

i

miary

% wartości wskaźników

1

śelazo

mg/l

10

10

10

-Spektrometria UV/Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacją w plazmie indukcyjnie
sprzężonej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES

2

Mangan

mg/l

105

10

10

-Spektrometria UV-Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacją w plazmie indukcyjnie
sprzężonej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES

3

Miedź

mg/l

20

20

20

-Spektrometria UV-Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacją w plazmie indukcyjnie
sprzężonej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES
-Polarografia

4

Cynk

mg/l

10

10

10

-Spektrometria UV-Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacją w plazmie indukcyjnie
sprzężonej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES

5

Bor

mg/l

10

10

10

-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES

6

Nikiel

mg/l

10

10

10

-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacją w plazmie indukcyjnie
sprzężonej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES
-Polarografia

7

Wanad

mg/l

10

10

10

-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacją w plazmie indukcyjnie
sprzężonej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES

8

Arsen

mg/l

10

10

10

-Spektrometria UV/Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS

9

Kadm

mg/l

10

10

10

-Spektrometria UV-Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacją w plazmie indukcyjnie
sprzężonej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES
-Polarografia

10

Chrom
ogólny

mg/l

105

10

10

-Spektrometria UV-Vi
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacją w plazmie indukcyjnie
sprzężonej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES

11

Chrom

+6

mg/l

25

25

25

-Spektrometria UV-Vi
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacją w plazmie indukcyjnie
sprzężonej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES

12

Ołów

mg/l

10

10

10

-Spektrometria UV-Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacją w plazmie indukcyjnie
sprzężonej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES
-Polarografia

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

7

13

Selen

mg/l

105

10

10

-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS

14

Rtęć

mg/l

10

10

10

-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna w połączeniu z
metodą zimnych par CV-AAS
-Atomowa Spektrometria Fluorescencyjna w połączeniu z
metodą zimnych par – CV-AFS

15

Bar

mg/l

20

20

20

-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacją w plazmie indukcyjnie
sprzężonej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej ICP-AES

1.1.1. Źródła zanieczyszczeń wód metalami ciężkimi

Kadm. Kadm przedostaje się do zbiorników wodnych w transporcie rzecznym, z opadem pyłów

atmosferycznych, jednak w wodach morskich jest go mniej niż w rzekach. Jako naturalną zawartość

kadmu przyjmuje się 0,02

µ

g/dm

3

, ilość ta jest obecnie znacznie przekroczona. Kadm przedostaje

się również do wód gruntowych i podziemnych z gleb. W osadach rzek i zbiorników wodnych

podlega szybkiemu związaniu, w którym biorą udział również bakterie, wytrącając go w postaci

siarczków. Istnieje ryzyko wprowadzenia kadmu w łańcuch żywieniowy w przypadkach odławiania

ryb ze zbiorników zanieczyszczonych, ponieważ roślinność wodna jak i organizmy zwierzęce

pobierają kadm proporcjonalnie do występowania. Dopuszczalne stężenie Cd w wodach pitnych

ustalono na 5

µ

g/dm

3

.

Rtęć. Rtęć przedostaje się do wód z opadów atmosferycznych, ze spływem wód gruntowych i

powierzchniowych, przy czym deszcz i śnieg odgrywają szczególną rolę w obiegu rtęci. Pierwiastek

ten w wodach występuje w dużym rozproszeniu. Jego średnie stężenie w morzach i oceanach

ustalono na 0,005

µ

g/dm

3

, w rzekach na 0,01

µ

g/dm

3

. Związki rtęci w wodach zależą od warunków

utleniająco-redukcyjnych. I tak kolejno: w wodach o właściwościach utleniających przeważają

HgCl

4

2-

; HgOH

+

, w redukcyjnych CH

3

HgS

-

; HgS

2

-

, w wodach o warunkach zmiennych natomiast

CH

3

HgCl; CH

3

Hg

2+

. Wszystke formy rtęci, w tym dimetylortęć, są bardzo toksyczne dla

organizmów wodnych, które łatwiej bioakumulują alkilowe związki rtęci.

Ołów. Większość związków ołowiu, tj. węglany; siarczany; fosforany, są trudno rozpuszczalne w

wodzie. Z tego powodu naturalna zawartość Pb w wodach jest niska, przyjmuje się, że: dla wód

morskich 0,01-0,06

µ

g/dm

3

; dla rzecznych 0,2

µ

g/dm

3

, natomiast dopuszczalne stężenie Pb w

wodzie pitnej w większości krajów wynosi 50

µ

g/dm

3

. Zawartość Pb w osadach dennych jest

wskaźnikiem zanieczyszczenia wód powierzchniowych. Dobrymi wskaźnikami skażeń ołowiem jest

fauna morska. Ołów w wodzie podlega znacznej bioakumulacji.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

8

1.2. Metale w glebach

Gleba jest podstawowym elementem środowiska przyrodniczego, a jej właściwości fizyczne,

chemiczne i biologiczne, kształtowane pod wpływem działania procesu glebotwórczego, znajdują

się w stanie równowagi dynamicznej. Naruszenie tej równowagi prowadzi do degradacji gleby i

zmiany jej odczynu (pH), właściwości biochemicznych, składu i właściwości próchnicy, składu

ilościowego i jakościowego pierwiastków śladowych. W Tab. 5 zestawiono naturalną zawartość w

ppm wybranych pierwiastków śladowych w różnych typach gleb Polski.

Tab. 5. Zawartość wybranych pierwiastków śladowych w glebach polskich (ppm).

Gleby piaszczyste

Gleby

pyłowe i gliniaste

Gleby organiczne

Pierwiastek

zakres

średnia

zakres

średnia

zakres

średnia

Ba

85-410

230

190-450

350

-

-

Cd

0,08-1,6

0,3

0,15-1,6

0,4

0,01-0,1

0,05

Cr

5-70

40

20-100

50

5-30

15

Cu

1-25

6

5-60

15

1-110

5

Hg

0,02-0,15

0,05

0,05-1,5

0,2

0,01-0,05

0,02

Mn

80-710

240

190-7000

500

20-2000

150

Mo

0,2-5

1,5

0,5-11

3

0,2-7

1

Ni

0,5-20

8

5-60

18

1-40

10

Pb

5-25

20

10-50

25

18-85

25

Zn

10-200

37

22-225

70

10-250

60

Do głównych form degradacji gleby zalicza się: zakwaszenie, zanieczyszczenie azotanami,

pestycydami oraz metalami ciężkimi. Pod pojęciem metale ciężkie rozumiemy pierwiastki o

gęstości powyżej 4,5 g/cm

3

, występujące naturalnie w skorupie ziemskiej, uwalniane ze skał

macierzystych w procesach glebotwórczych. Niektóre z nich są niezbędne do prawidłowego

funkcjonowania organizmów żywych (na przykład miedź, cynk), inne — jak kadm czy ołów — są

zbyteczne lub ich funkcja biologiczna nie jest jeszcze poznana. W przypadku zbyt dużego

nagromadzenia w organizmie człowieka metale ciężkie mogą przyczynić się do wystąpienia wielu

chorób, w tym nowotworów.

Główne źródło zanieczyszczenia gleb metalami to przemysł i energetyka (poprzez

zanieczyszczenia atmosfery i składowanie odpadów). Niebagatelny wpływ na gleby ma również

transport samochodowy, zanieczyszczając je wzdłuż ciągów komunikacyjnych.

Na rozpuszczalność i ruchliwość metali obecnych w glebie, a tym samym ich

bioprzyswajalność wpływają w dużym stopniu właściwości danej gleby. Do najważniejszych należy

pojemność kompleksu sorpcyjnego, uzależniona od zawartości próchnicy, minerałów ilastych oraz

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

9

tlenków żelaza, glinu i manganu. Przy tym samym stopniu skażenia w glebach lekkich więcej metali

pozostaje w formie rozpuszczalnej — łatwo pobieranej przez rośliny. Gleby ciężkie silniej wiążą

metale w pojemnym kompleksie sorpcyjnym, co ogranicza dostępność tych składników dla roślin.

Do metali ciężkich silnie wiązanych w glebach, a tym samym słabo rozpuszczalnych należą: Pb,

Hg, Cr i Cu. Istotnym czynnikiem jest również odczyn gleby. Rośliny łatwiej pobierają pierwiastki z

gleb kwaśnych. Przy pH powyżej 6,5 zdecydowanie zmniejsza się ilość łatwo rozpuszczalnych form

metali ciężkich w glebie.

Znaczna część substancji i pierwiastków zanieczyszczających jest wiązana w glebie w

formach nieaktywnych. W środowisku mogą pojawiać się jednak czynniki, które powodują

uwolnienie związanych w niemobilnych formach pierwiastków. Jednym z takich czynników jest

zakwaszenie gleb, będące wynikiem oddziaływania kwaśnych deszczy, powstających na skutek

wprowadzania do atmosfery dużych ilości SO

2

i tlenków azotu oraz stosowania nawozów

mineralnych. Zakwaszenie powoduje wymywanie substancji pokarmowych takich jak potas, wapń i

magnez. Jednocześnie następuje zniszczenie zdolności buforowych gleby, wskutek czego zwiększa

się w glebie zawartość jonów glinu i metali ciężkich uprzednio związanych w kompleksach

sorpcyjnych.

1.2.1. Występowanie metali ciężkich w glebie

Kadm. W glebach o pH 4,5-5,5 kadm jest bardzo mobilny, a przy wyższych wartościach ulega

unieruchomieniu, tworząc głównie węglany. W miarę wzrostu alkaliczności gleb spada jego

sorpcja. Istotnym źródłem kadmu w glebach są nawozy fosforowe, ale fosfor wprowadzony do

gleby zanieczyszczonej tym metalem zmniejsza ilość jego form rozpuszczalnych, powodując ich

przejście do form związanych z węglanami i tlenkami, jak również częściowo do form

organicznych. Duże ilości kadmu do gleb wprowadzane są także wraz z odpadami komunalnymi.

Duża mobilność kadmu we wszystkich typach gleb jest przyczyną jego szybkiego włączania do

łańcucha pokarmowego.

Rtęć. Rozmieszczenie związków rtęci w glebach jest uzależnione głównie od warunków

oksydacyjno-redukcyjnych. W glebach o przewadze warunków utleniających dominują formy Hg

2+

,

Hg

2

2+

, zaś w glebach o warunkach redukcyjnych występują głównie związki z siarką HgS, HgS

2

2-

,

CH

3

HgS

-

, zaś w glebach o warunkach przejściowych najczęstsze są alkilowe związki rtęci. Proces

migracji rtęci z gleb jest ograniczony, pomimo lotności par, ponieważ pary rtęci łatwo ulegają

zasorbowaniu zarówno przez substancję organiczną gleb jak i minerały ilaste. Głównymi

czynnikami zwiększającymi sorpcję rtęci są: kwasowość (największe wiązanie przy pH 3-5) oraz

substancja organiczna, która w glebach kwaśnych zwiększa, a w alkalicznych zmniejsza ilość

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

10

wiązanej rtęci. W wyniku procesów mikrobiologicznej lub chemicznej metyzacji rtęci w glebach,

każda jej forma może stać się przyswajalna dla roślin.

Ołów. Ołów jest zwykle mało ruchliwy w warunkach glebowych. Rzadko występuje w

roztworze w postaci kationu Pb

2+

, tworzy natomiast jony kompleksowe, jak np. PbOH

+

i

Pb(OH)

4

2+

, które w znacznym stopniu regulują procesy sorpcji i desorpcji. Ołów w glebach jest

silnie sorbowany przez minerały ilaste, wodorotlenki Al i Fe oraz przez substancję organiczną.

Wytrącanie ołowiu w postaci węglanów i fosforanów jest istotnym procesem decydującym o

jego unieruchamianiu w glebach przy pH>6,5. W glebach kwaśnych dominują kationy Pb

2+

,

PbHCO

3

+

oraz kompleksy organiczne.

W Tab. 6 przedstawiono dopuszczalne wartości stężeń (mg/kg suchej masy) wybranych

metali w glebie lub ziemi zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 9 września 2002

roku w sprawie standardów jakości gleby oraz standardów jakości ziemi (Dz.U. Nr 165 poz. 1359).

Rozporządzenie określa standardy jakości gleby lub ziemi, z uwzględnieniem ich funkcji aktualnej i

planowanej dla następujących grup rodzajów gruntów:

•

grupa A: nieruchomości gruntowe wchodzące w skład obszaru poddanego ochronie na

podstawie przepisów ustawy Prawo wodne; obszary poddane ochronie na podstawie

przepisów o ochronie przyrody; jeżeli utrzymanie aktualnego poziomu zanieczyszczenia

gruntów nie stwarza zagrożenia dla zdrowia ludzi lub środowiska – dla obszarów tych

stężenia zachowują standardy wynikające ze stanu faktycznego,

•

grupa B – grunty zaliczone do użytków rolnych z wyłączeniem gruntów pod stawami i

gruntów pod rowami, grunty leśne oraz zadrzewione, nieużytki, a także grunty zabudowane i

zurbanizowane z wyłączeniem terenów przemysłowych, użytków kopalnych oraz terenów

komunikacyjnych,

•

grupa C – tereny przemysłowe, użytki kopalne, tereny komunikacyjne.

Metodyki referencyjne analiz próbek glebowych są analogiczne jak dla wód (Tab. 4 i 4a) po

uprzedniej ich mineralizacji.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

11

Tab. 6. Dopuszczalne wartości stężeń metali ciężkich dla gleb z trzech obszarów sozologicznych: A, B, C dla
różnej głębokości i wodoprzepuszczalności.

Grupa B

Grupa C

Głębokość (m ppt)

0-0,3

0,3-15,0

>15

0-2

2-15

Wodoprzepuszczalność gruntów (m/s)

do

poniżej

do

poniżej

do

poniżej

L.p.

Zanieczyszczenie

Grupa A

1·10

-7

1·10

-7

1·10

-7

1

Arsen

20

20

20

25

25

55

60

25

100

2

Bar

200

200

250

320

300

650

1000

300

3000

3

Chrom

50

150

150

190

150

380

500

150

800

4

Cyna

20

20

30

50

40

300

350

40

300

5

Cynk

100

300

350

300

300

720

1000

300

3000

6

Kadm

1

4

5

6

4

10

15

6

20

7

Kobalt

20

20

30

60

50

120

200

50

300

8

Miedź

30

150

100

100

100

200

600

200

1000

9

Molibden

10

10

10

40

30

210

250

30

200

10

Nikiel

35

100

50

100

70

210

300

70

500

11

Ołów

0,5

2

3

5

4

10

30

4

50

12

Rtęć

0,5

2

3

5

4

10

30

4

50

1.3. Metale w żywności

W takich dziedzinach jak chemia środowiska, medycyna, ochrona zdrowia czy nauka o

żywieniu ważne są właściwości chemiczne, toksykologiczne, biologiczne danego pierwiastka, które

to w dużym stopniu zależą od formy w jakiej ten pierwiastek występuje. Forma chemiczna

pierwiastka została zdefiniowana przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej

(IUPAC), jako specyficzna i unikalna cząsteczkowa, elektronowa lub jądrowa struktura pierwiastka,

przy czym można tu wprowadzić pojęcie specjacji.

Pierwiastki śladowe występujące w glebie mogą być pobierane przez rośliny. Mechanizm

ich pobierania nie jest prosty. Przebiega z udziałem przede wszystkim systemu korzeniowego roślin

i można wymienić tu: wymianę kationową przez błony komórkowe, transport wewnątrzkomórkowy

oraz procesy ryzosfery (strefy korzeniowej). Należy podkreślić, że różne substancje (cukry, kwasy

organiczne i aminokwasy) są nie bez znaczenia podczas pobierania składników pokarmowych.

Organizmy żywe mogą metabolizować metaloidy typu arsen czy selen, prowadząc do powstania

wiązania kowalencyjnego pomiędzy heteroatomem a węglem innej, większej struktury. Kontrola

równowagi ważnych pierwiastków, oraz sposób „radzenia sobie” z obciążeniem spowodowanym

przez pierwiastki toksyczne, zachodzi poprzez szereg mechanizmów wewnętrznych wytworzonych

przez mikroorganizmy i rośliny. Rośliny zwane hiperakumulatorami, mają zdolność utrzymywania

homeostazy metali, która pozwala im żyć i rozmnażać się w środowisku bogatym w metale. Można

tu wspomnieć o wykorzystaniu kwasów organicznych (szczawiowy, malonowy, cytrynowy) oraz

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

12

aktywacji enzymów-przeciwutleniaczy. Tolerancja metali ciężkich oraz ich akumulacja w roślinach

następuje poprzez wydzielanie peptydów i protein wiążących te metale.

Podstawowe czynniki wpływające na przyswajalność pierwiastków przez rośliny:

•

stężenie pierwiastków w roztworze glebowym i ich wzajemne ilości,

•

całkowita zawartość pierwiastków przyswajalnych,

•

przepływ pierwiastków ze stałej fazy glebowej do fazy ciekłej i do korzeni,

•

transport do dalszych, nadziemnych części roślin.

Elementem łączącym przemieszczanie się pierwiastków z gleby do zwierząt są rośliny.

Pierwiastki te mogą również przedostawać się bezpośrednio z gleb do organizmów zwierzęcych

poprzez wdychanie pyłu glebowego lub spożywanie go przez zanieczyszczenie pasz i roślin.

Pierwiastki śladowe występujące w glebach podlegają włączeniu w łańcuch żywieniowy najczęściej

w ilościach proporcjonalnych do ich stężenia w glebach.

Pierwiastki śladowe są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu człowieka, ale

tylko jeśli występują w odpowiedniej ilości. Prawidłowa dieta człowieka, składająca się z żywności

pochodzenia zwierzęcego (zwierzęta lądowe, ryby słodkowodne i morskie) oraz roślinnego, zapewnia

prawidłową ilość pierwiastków śladowych. Mogą natomiast pojawić się problemy w przyswajalności

przez organizm, której komplikacje prowadzą do niedoborów i toksyczności. Funkcja pierwiastków

śladowych powiązana jest z białkami enzymatycznymi procesów utleniania i redukcji reakcji

biochemicznych. Pierwiastki te są magazynowane i przechowywane w komórkach (jądra, mitochondria,

błona komórkowa) tkanek i organów.

Największą ilość pierwiastków: Cd, Co, Cu, Fe, Mn, Mo, Pb, Se,

Zn, znaleziono w wątrobie, nerkach, mięśniu sercowym. Należy dodać, że niezbędne dla człowieka i

zwierząt są: As, B, Br, Cl, Cr, Co, Cu, F, Fe, I, Li, Mn, Mo, Ni, Se, Si, Sn, V, Zn. Znaczenie mają

również, lecz w ilościach ng/kg, Ba, Cd, Pb, Rb, Ti.

Szkodliwość pierwiastków zanieczyszczających środowisko zależy od: podatności na

bioakumulację; koncentracji w biolitach w wyniku procesów geologicznych; absorpcji z przewodu

pokarmowego (Hg, Cd, I, Zn, B); przenikania przez łożysko do zarodka; przenikania przez barierę

krew-mózg (Hg, Pb, B, Al); tworzenia wiązań z sulfhydrylowymi grupami funkcyjnymi białek (Hg,

Pb, Se, Cd); uszkadzania RNA i DNA (Cu, Zn, Cd, Hg, Ni).

Obecnie, na przyswajanie pierwiastków śladowych wpływają zmiany w nawykach

żywieniowych, w tym spożywanie produktów przetworzonych technologicznie, oraz zróżnicowanie

proporcji składników w pożywieniu. Obieg pierwiastków skażających środowiska w przyrodzie,

prowadzi do włączania ich do łańcucha pokarmowego. Mogą one podlegać biologicznej akumulacji,

a następnie spożyciu przez człowieka w różnych produktach roślinnych i zwierzęcych.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

13

1.3.1. Występowanie metali ciężkich w żywności

Kadm. Pierwiastek ten jest łatwo pobierany przez rośliny, głównie przez system korzeniowy i

liście, w postaci jonu Cd

2+

; jonów uwodnionych i skoordynowanych. Zawartość w częściach

nadziemnych roślin kadmu wynosi od 0,05-0,2 ppm, przy czym toksyczność występuje przy

zawartości ok. 5-30 ppm. Kadm jest najbardziej toksyczny dla roślin motylkowatych. Łatwość

przyswajania kadmu przez rośliny jest bezpośrednio związana z ryzykiem bezpośredniego

wprowadzenie go do diety człowieka. I tak na przykład zawartość kadmu w warzywach i owocach

w Polsce występuje w granicach 0,002-0,083 ppm świeżej masy. Kadm może zostać wchłonięty do

organizmu przez przewód pokarmowy, tworzy kompleksy z białkami i w tej postaci przedostaje się

do nerek i wątroby. Jego toksyczność związana jest z inhibicją fosfataz i enzymów z grupami

sulfhydrylowymi. Pierwiastek ten ma skłonności do znacznej bioakumulacji.

Rtęć. Rtęć, pobierana przez rośliny, nie ulega w nich koncetracji. Jej toksyczność dla roślin polega

na łatwości transportowania w tkankach, pomimo silnego wiązania z grupami sulfhydrylowymi

białek. Bada się zawartość rtęci w roślinach konsumpcyjnych, ponieważ może przedostać się do

żywności. Zakres najczęstszy w warzywach i owocach to 5-30 ppb. Niebezpieczna jest organiczna

rtęć – dimetylortęć. Za przedostawanie się związków rtęci do środowiska odpowiada używanie

fungicydów rtęcioorganicznych (chlorek etylortęci, chlorek metoksyetylortęci, octan metylortęci)

stosowanych do zaprawy nasion i cebulek roślin. Preparaty te przedostawały się do zbiorników

wodnych, ryb. Skutki dla człowieka są przerażające. Na przykład 25 mg CH

3

Hg

+

powoduje

parestezje, drętwienie warg, języka, mrowienie kończyn; 55 mg – bezład ruchowy; 90 mg –

uszkodzenie mózgu, przekroczenie dawki 175 mg powoduje śmierć organizmu.

Ołów. Pobieranie Pb zależy do właściwości roślin i warunków glebowych, jest ono znacznie mniejsze

przy wysokim odczynie gleby i niskiej temperaturze. Ołów pobrany przez korzenie jest tam gromadzony

wykazując niewielką tendencję do przechodzenia do części zielonych. Źródłem Pb, zanieczyszczającym

rośliny, są opady atmosferyczne. Fitoprzyswajalność tego metalu zwiększają reakcje alkilacji w glebie.

Tetraetyloołów dodawany do benzyny, który przedostawał się do środowiska ze spalin, jest łatwiej

przyswajalny przez rośliny. Ilości ołowiu w warzywach i owocach nie mogą przekraczać 3 ppm suchej

masy i 0,1 ppm świeżej masy. Rośliny wytworzyły dużą tolerancję na ołów, a szczególnie te, które

pochodzą ze środowisk zanieczyszczonych. Ołów występuje we wszystkich tkankach zwierząt, w

organizmach morskich jest go znacznie więcej niż w ssakach lądowych, u których koncentruje się

głównie w kościach (4-25 ppm). Zwierzyna łowna postrzelona śrutem ołowiowym może zawierać

zwiększone ilości metalu. Głównym źródłem ołowiu w pożywieniu są produkty zbożowe i ziemniaki.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

14

W Tab. 7 przedstawiono najwyższe dopuszczalne poziomy stężeń metali ciężkich w

środkach spożywczych zgodnie z Rozporządzeniem Komisji Wspólnot Europejskich Nr 466/2002 z

dnia 8 marca 2001 roku.

Tab. 7. Najwyższe dopuszczalne stężenia metali ciężkich w środkach spożywczych.

Produkt

Najwyższy dopuszczalny

poziom (mg/kg świeżego

produktu)

1. Ołów
1.1. Mleko krowie (mleko surowe, mleko do wytwarzania produktów mleczarskich i mleko
poddane obróbce cieplnej)

0,02

1.2 Preparaty dla niemowląt i mleko dla niemowląt

0,02

1.3 Wołowina, mięso baranie, wieprzowina i mięso drobiowe, z wyjątkiem podrobów

0,1

1.3.1 Jadalne podroby, wołowe, wieprzowe i drobiowe

0,5

1.4 Mięso ryb, z wyjątkiem gatunków ryb wymienionych w pkt. 1.4.1

0,2

1.4.1 Mięso soli, węgorzy europejskich, okoni morskich, ostroboków pospolitych, szarych
cofali, amareli, głowaczy, sardynek

0,4

1.5 Skorupiaki, z wyjątkiem ciemnego mięsa krabów

0,5

1.6 Małże dwupłatkowe

1,0

1.7 Głowonogi (bez wnętrzności)

1,0

1.8 Zboża (włącznie z gryką), rośliny strączkowe i nasiona jadalne roślin strączkowych

0,2

1.9 Warzywa, z wyjątkiem zapustnych, warzyw liściastych, świeżych ziół oraz wszystkich
grzybów

0,1

1.9.1 Kapustne, warzywa liściaste i wszystkie grzyby uprawne

0,3

1.10 Owoce, z wyjątkiem owoców jagodowych i małych owoców

0,1

1.10.1 Owoce jagodowe i małe owoce

0,2

1.11 Tłuszcze i oleje, włącznie z tłuszczem mlecznym

0,1

1.12 Soki owocowe, zagęszczone soki owocowe (do bezpośredniego spożycia) i nektary
owocowe

0,05

1.13 Wina (włącznie z winami musującymi i wyłączając wina likierowe), wina
aromatyzowane, aromatyzowane napoje na bazie wina i aromatyzowane koktajle winne
oraz jabłeczniki, wino z gruszek i wina owocowe

0,2

2. Kadm
2.1 Wołowina, mięso baranie, wieprzowina i mięso drobiowe, z wyjątkiem podrobów

0,05

2.2 Mięso końskie

0,2

2.3 Wątroba wołowa, barania, wieprzowa i drobiowa

0,5

2.4 Nerki wołowe, baranie, wieprzowe i drobiowe

1,0

2.5 Mięso ryb, z wyjątkiem gatunków ryb wymienionych w pkt. 2.5.1

0,05

2.5.1 Mięso: sola, węgorzy europejskich, sardeli europejskich. luvar, makreli lub ostrolinó,
szarych cofali, amareli, sardynek

0,1

2.6 Skorupiaki , z wyjątkiem ciemnego mięsa krabów

0,5

2.7 Małże dwupłatkowe

1,0

2.8 Głowonogi (bez wnętrzności)

1,0

2.9 Zboża, z wyjątkiem otrąb, kiełków, ziarna pszenicy i ryżu

0,1

2.9.1 Otręby, kiełki, ziarno pszenicy i ryż

0,2

2.10 Soja

0,2

2.11 Warzywa i owoce, z wyjątkiem warzyw liściastych, świeżych ziół, wszystkich
grzybów, warzyw łodygowych, warzyw korzeniowych i ziemniaków

0,05

2.11.1 Warzywa liściaste, świeże zioła, seler korzeniowy i wszystkie grzyby uprawne

0,2

2.11.2 Warzywa łodygowe, warzywa korzeniowe i ziemniaki, z wyjątkiem selera
korzeniowego.

0,1

3 Rtęć
3.1 Produkty rybołówstwa, z wyjątkiem wymienionych w pkt. 3.1.1

0,5

3.1.1 śabnica, zębacz pasiasty, okoń, błękitek, pelamida, węgorz, halibut, tuńczyk, merlin,
szczupak, bonito, koleń portugalski, raje, karmazyn pospolity, żaglica, pałasz, rekin,
makrela wężowa, jesiotr, włócznik

1,0

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

15

Kryteria pobierania próbek oraz warunki metod analiz żywności pod kątem zawartości

metali określa Dyrektywa 2001/22/WE z późniejszymi zmianami. Dyrektywa nie określa

zalecanych metod ustalania zawartości metali w żywności. Laboratoria muszą stosować

zatwierdzoną metodę, która spełnia wymagane kryteria, takie jak: granica wykrywalności, granica

oznaczalności ilościowej, precyzja (na poziomie poniżej 1,5), odzysk (80-120%), specyficzność

metody.

2. Przygotowanie próbek środowiskowych do oznaczania pierwiastków
śladowych

Próbki gleby oraz żywności (poza napojami) są niestety próbami stałymi, które rzadko mogą

być bezpośrednio oznaczane w swoim naturalnym stanie skupienia. Większość stosowanych metod

analitycznych wymaga próbek ciekłych lub gazowych. Tym samym istotnym staje się zagadnienie

przeprowadzenia analitu z próbki stałej do matrycy ciekłej lub gazowej. Oznaczanie metali w

próbkach stałych wymaga uprzedniej ich mineralizacji a następnie przeniesienia do matrycy ciekłej.

Mineralizacja – zespół procesów w wyniku, których związki organiczne przekształcane są w

związki mineralne takie, jak: CO

2

, H

2

O, NH

3

i inne. W glebach, w procesach mineralizacji udział

biorą najczęściej organizmy żywe (bakterie, robaki itp.). W przypadku mineralizacji z dostępem

tlenu mówimy o butwieniu, w warunkach beztlenowych zaś o gniciu. W chemii analitycznej, dzięki

mineralizacji próbki stałej, można oprócz otrzymania związków mineralnych, przeprowadzić

ilościowo składniki próbki do roztworu. Do najważniejszych sposobów mineralizacji zaliczamy

mineralizację na mokro oraz mineralizację na sucho.

•

Mineralizacja na mokro – w tej technice używa się mieszaniny jednego lub kilku kwasów

mineralnych (najczęściej: HNO

3,

H

2

SO

4

, HClO

4

) oraz związku o właściwościach

utleniających (np. H

2

O

2

). W przypadku tej techniki oprócz użycia mieszaniny kwasów

można wspomagać proces mineralizacji poprzez:

zastosowanie podwyższonej temperatury,

wykorzystanie promieniowania UV,

z wykorzystaniem łaźni ultradźwiękowej,

użycie energii mikrofalowej,

mineralizacja ciśnieniowa.

•

Mineralizacja na sucho – w tej grupie technik można wyróżnić:

stapianie,

mineralizacja niskotemperaturowa w plazmie tlenowej,

spopielanie.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

16

Ekstrakcja. W metodach analitycznych oznaczania pierwiastków śladowych z zastosowaniem

techniki AAS lub spektrofotometrycznej najszersze zastosowanie do wydzielania, rozdzielania czy

zagęszczania znajduje ekstrakcja typu ciecz-ciecz. Szczególnie szerokie zastosowanie znalazła

ekstrakcja rozpuszczalnikami organicznymi. Jest ona często stosowaną metodą usuwania

składników przeszkadzających lub wydzielania składników oznaczanych. Aby kationy mogły

przejść z fazy wodnej do fazy organicznej należy przeprowadzić je z postaci hydrofilowych w

hydrofobowe. W tym celu cząsteczki wody ze sfery koordynacyjnej metalu w akwakompleksie

należy zastąpić innymi ligandami lub utworzyć kompleksy jonowo-asocjacyjne, tak by nowe

połączenia nie miały ładunku elektrycznego i mogły ulegać ekstrakcji do fazy organicznej.

Selektywność wydzielania lub rozdzielania uzyskuje się przez zastosowanie selektywnie

działającego odczynnika kompleksującego, dobór warunków reakcji kompleksowania i procesu

ekstrakcji.

Sposoby ekstrakcji metali można podzielić na 3 grupy:

•

ekstrakcja niejonowych cząsteczek kowalencyjnych (AsCl

3

, OsO

4

, HgCl

2

, BiI

3

, GeCl

4

),

•

ekstrakcja kompleksów chelatowych,

•

ekstrakcja kompleksów jonowo-asocjacyjnych ( par jonowych).

Ekstrakcyjne wydzielanie jonów metali stosuje się bardzo często w analizie wody do picia

lub do celów przemysłowych, ponieważ bezpośrednie oznaczanie większości metali śladowych w

wielu przypadkach jest niemożliwe ze względu na zbyt małe stężenie tych metali i niedostateczną

czułość metod oznaczania. Często stosuje się szczególny rodzaj techniki ekstrakcyjnej zwanej

ekstrakcją sekwencyjną. Aby wyodrębnić i oznaczyć kolejne pierwiastki lub ich poszczególne

formy koniecznym jest zastosowanie kilku etapów ekstrakcji. Metoda ta pozwala na

dokładniejszą kontrolę oraz porównanie stężenia na poszczególnych etapach ekstrakcji do wyniku

oznaczenia ogólnego. I tak np., w celu wydzielenia możliwie wielu metali z wody ekstrahuje się

stopniowo chloroformem, przy wzrastających wartościach pH, chelaty wewnętrzne metali z

wprowadzonymi do układu grupowymi odczynnikami organicznymi: 8-hydroksychinoliną,

dietyloditiokarbaminianem i ditizonem. W wyniku takiej ekstrakcji do chloroformu przechodzą z

fazy wodnej jony następujących metali: Ag, Al, As, Au, Bi, Cd, Cr, Cu, Fe, Ga, Hg, In, Mn, Mo, Ni,

Pb, Sb, Sn, Th, Ti, Tl, U, V, Zn, Zr i metale ziem rzadkich.

Przy oznaczaniu metali w glebach i osadach dennych, gdzie związki chemiczne czy same

pierwiastki mogą występować w różnych formach fizycznych, czy w różnych układach

chemicznych, stosuje się ekstrakcję sekwencyjną przedstawioną w Tab. 8.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

17

Tab. 8. Przykłady ekstrakcji sekwencyjnych

Frakcja

Ekstrahent

Wymienna
Węglany
Tlenki manganu
Tlenki żelaza (amorficzne)
Siarczany (VI) i materia organiczna
Pozostałość

NH

4

Ac

NaOAc/AcOH
NH

2

OH x HCl/HNO

3

Bufor szczawianowy
H

2

O

2

/HNO

3

/NH

4

Ac

HNO

3

Wymienna
Materia organiczna
Tlenki manganu
Tlenki żelaza (krystaliczne)
Pozostałość

Mg(NO

3

)

2

NaOCl
NH

2

OH x HCl/ NH

4

Ac

Kwas askorbinowy/ bufor szczawianowy
HCl/ HF/ HNO

3

W praktyce wyżej wymienione techniki ekstrakcyjne można wspomagać poprzez:

•

zastosowanie łaźni ultradźwiękowej,

•

podwyższonego ciśnienia i temperatury – tzw. ekstrakcja przyspieszona,

•

przy użyciu fal mikrofalowych.

Otrzymane

ekstrakcyjnie

koncentraty

śladów,

bezpośrednio

lub

po

odparowaniu

rozpuszczalnika, mogą być poddane analizie, np. spektrofotometrycznej lub metodą absorpcyjnej

spektrometrii atomowej.

3. Oznaczanie pierwiastków metodą atomowej spektrometrii absorpcyjnej

3.1. Wprowadzenie

Para atomowa czyli medium w stanie gazowym składające się z wolnych atomów

pierwiastka może absorbować promieniowanie elektromagnetyczne. Atom pierwiastka w stanie

podstawowym (o energii E

p

) absorbuje foton promieniowania (energia hν ), co powoduje zmianę

rozkładu elektronów w atomie, przeprowadzając go w stan o wyższej energii (Ep + hν), czyli stan

wzbudzony. Atomy mogą istnieć tylko w określonych stanach energetycznych opisywanych

funkcjami falowymi stanowiącymi rozwiązania odpowiedniego równania Schrödingera. Funkcje

falowe mogą przyjmować tylko pewne określone wartości stałych, zwanych liczbami

kwantowymi: główną, poboczną, magnetyczną i spinową. Zgodnie z zakazem Pauliego, opisy

stanów energetycznych poszczególnych elektronów muszą się różnić wartością przynajmniej

jednej liczby kwantowej.

W stanie podstawowym atomu (w temp. ok. 20ºC) elektrony zapełniają kolejno poziomy

energetyczne wg wzrastającej energii. Konfigurację elektronową np. atomu magnezu można

przedstawić w następujący sposób:

12

Mg: 1s

2

, 2s

2

, 2p

6

, 3s

2

.

Elektron walencyjny może zostać

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

18

przeniesiony z poziomu podstawowego (dla magnezu to poziom 3s) na poziom wzbudzony (np. 3p).

Różnica energii między poziomem podstawowym a wzbudzonym (∆E) równa się:

∆E = ( E

p

+ hν ) - E

p

= hν = h c/

λ

(1)

gdzie: E

p

- energia atomu w stanie podstawowym (lub niższym stanie wzbudzonym),

h - stała Plancka (6,626

.

10

-34

J

.

s), ν - częstość promieniowania elektromagnetycz-

nego [s

-1

], c - prędkość rozchodzenia się światła w próżni (3,00

.

10

8

m

.

s

-1

),

λ

- długość fali promieniowania elektromagnetycznego [m].

Ponieważ poziomy energetyczne mogą przyjmować tylko pewne ściśle określone wartości, więc i

różnice energii między nimi nie są dowolne – oznacza to, że tylko promieniowanie o określonej

energii czyli o określonej długości fali może być zaabsorbowane. Na Rys.1 przedstawiono schemat

poziomów energetycznych atomu magnezu.

Rys. 1. Schemat poziomów energetycznych atomu magnezu. W metodzie AAS wykorzystuje się linie Mg
związane z przejściami 2852,1 Å i 2025,8 Å.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

19

W atomie jest wiele poziomów energetycznych, na które mogą zostać przeniesione elektrony

wzbudzone. Oznacza to, że atom magnezu może absorbować wiele charakterystycznych długości

fal. Dla przejść elektronów walencyjnych jest to energia promieniowania w zakresie UV-Vis.

Średni czas trwania atomu w stanie wzbudzonym jest bardzo krótki, rzędu 10

-8

s. Po tym

czasie elektron, wracając do stanu podstawowego, emituje energię dokładnie taką, jaka była

potrzebna do przejścia w stan wzbudzony (Rys. 2)

Rys. 2. Przejścia elektronu pomiędzy dwoma poziomami energetycznymi. .

Porcje energii czyli promieniowanie o określonej częstotliwości lub określonej długości

fali, które jest absorbowane przez dany atom jest emitowane podczas powrotu do stanu

podstawowego. Oznacza to, że atom może absorbować promieniowanie elektromagnetyczne tylko o

takiej długości fali, przy której może je emitować i jest ono charakterystyczne dla danego

pierwiastka. Zjawisko to jest podstawą analizy jakościowej metodą atomowej spektrometrii

absorpcyjnej. Dzięki temu możliwe jest oznaczanie wielu pierwiastków zawartych w próbce w

sposób niezależny od siebie (metoda jest bardzo selektywna).

Przejściom elektronów pomiędzy różnymi poziomami energetycznymi odpowiadają różne

częstotliwości promieniowania, których zbiór stanowi charakterystyczne dla danego pierwiastka

widmo atomowe (widmo liniowe). Do celów analitycznych należy dokonać wyboru jednej z wielu

różnych linii absorpcyjnych. W metodzie ASA wykorzystuje się zwykle linię związaną z przejściem

elektronu walencyjnego ze stanu podstawowego na pierwszy (najniższy poziom wzbudzony) i

nazywa się ją linią rezonansową, zaś najniższy stan wzbudzony – stanem rezonansowym.

Miarą intensywności zjawiska absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez wolne

atomy jest absorbancja (A) określana jako

A = lg I

0

/I

(2)

gdzie: I

0

– natężenie wiązki promieniowania padającego, I – natężenie wiązki

promieniowania po przejściu przez ośrodek zawierający wolne, oznaczane atomy

(niezaabsorbowanego przez atomy).

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

20

Prawo Lamberta – Beera. Podstawą analizy ilościowej metodą atomowej spektrometrii

absorpcyjnej jest proporcjonalność absorbancji do ilości absorbujących atomów.

Zależność tą opisuje Prawo Lamberta-Beera definiowane następującym wzorem:

A =

ε

λ

· b · N

(3)

gdzie:

ε

λ

- molowy współczynnik absorpcji (wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju

atomów i określonej długości fali), b - długości drogi optycznej (długość drogi

promieniowania w ośrodku absorbującym), N - ilość wolnych atomów na drodze

promieniowania.

Ilość wolnych atomów N można zamienić na proporcjonalnie z nią związane stężenie

atomów (c) w próbce, co w stałych warunkach pomiaru dla określonej długości fali daje liniową

zależność:

A = a · c

(4)

gdzie: a – współczynnik proporcjonalności.

Prawo Lamberta-Beera jest spełnione dla małych stężeń, przy których nie mają jeszcze

znaczącego wpływu efekty związane z obecnością zbyt dużej ilości wolnych atomów na drodze

optycznej promieniowania (np. samoabsorpcja).

Drugim warunkiem granicznym spełnienia prawa Lamberta-Beera jest stosowanie

promieniowania monochromatycznego (zależność współczynnika absorpcji zależy od długości fali).

W przypadku absorpcyjnej spektrometrii atomowej konieczna jest, ze względu na wąskie linie

absorpcyjne, znacznie większa monochromatyczność niż w przypadku spektrofotometrii cząsteczek.

Pierwiastki metaliczne występują z reguły w postaci związków organicznych lub

nieorganicznych, zatem do wywołania zjawiska absorpcji należy przeprowadzić je w stan atomowy

- stan pary zdolny do absorpcji promieniowania (poziomy energetyczne w atomach pierwiastka

mają określoną wartość tylko w stanie gazowym).

Ze względu na czułość i selektywność metody korzystne jest, aby wszystkie lub

przynajmniej zdecydowana większość atomów znajdowała się w swoim stanie podstawowym. Gdy

stosuje się plazmy niskotemperaturowe (temperatura od 1000 K do 4000 K uzyskiwana w

płomieniu i kuwetach grafitowych), większość atomów znajduje się w stanie podstawowym,

niezależnie od tego czy pierwiastek wzbudza się łatwo (np. sód), czy trudno (np. cynk).

Zasada pomiarów metodą AAS polega na tym, że linia rezonansowa oznaczanego

pierwiastka o natężeniu I

0

, emitowana ze źródła promieniowania przechodzi przez atomizer, w

którym jest absorbowana przez obecne tam wolne atomy. Ta część promieniowania (linii

rezonansowej), która nie została pochłonięta przez wolne atomy, dociera poprzez monochromator

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

21

do detektora, który mierzy jej natężenie (I). Porównanie I i I

0

daje absorbancję (wzór 2)

proporcjonalną do stężenia oznaczanego pierwiastka (wzory 3 i 4).

Linie atomowe mają kształt krzywych Gaussa i charakteryzują się intensywnością oraz

szerokością określaną przez szerokość połówkową mierzoną w połowie wysokości piku (Rys. 3).

Rys. 3. Schemat struktury linii atomowej.

Naturalna szerokość linii w zakresie promieniowania UV-Vis stosowanych w AAS wynosi

ok. 10

-6

– 10

-4

nm. W atomizerze szerokość linii absorpcyjnej będzie większa z powodu

poszerzenia temperaturowego (tzw. poszerzenie dopplerowskie) oraz poszerzenia ciśnieniowego

(zjawisko Lorentza). W obu przypadkach wartość tego poszerzenia wynosi ok. 10

-3

nm i jest o dwa

rzędy większa od szerokości naturalnej linii absorpcyjnej. Dlatego szerokość połówkowa linii

emitowanej ze źródła promieniowania powinna być zdecydowanie mniejsza niż szerokość linii

absorpcyjnej ze względu na czułość (im mniejsza szerokość linii emitowanej tym większy jej zakres

będzie objęty absorpcją) i jak najmniejsza ze względu na specyficzność metody (możliwość

nakładania się linii spektralnych innych pierwiastków). Uzyskuje się to przez zastosowanie wyższej

temperatury w atomizerze od temperatury w lampie emitującej.

Zasadę pomiarów metodą AAS ilustruje Rys. 4.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

22

Rys. 4. Zasada pomiarów metodą AAS. (R. Kocjan (red.) Chemia analityczna. Podręcznik dla studentów. Tom
2. PZWL, W-wa, 2000).

3.2. Aparatura do atomowej spektrometrii absorpcyjnej

Schemat blokowy spektrometru absorpcji atomowej przedstawiono na Rys.5.

Rys. 5. Schemat blokowy spektrometru absorpcji atomowej z atomizerem płomieniowym: 1 - źródło
promieniowania liniowego (lampa z katodą wnękową), 2 – atomizer, 3 – monochromator, 45 – detektor
(fotopowielacz), 56 – wzmacniacz, 67 – rejestrator (komputer). (R. Kocjan, Chemia analityczna. Podręcznik dla
studentów. Tom 2. PZWL, W-wa, 2000).

Aparaty AAS mogą być jedno- lub dwuwiązkowe. W spektrometrach dwuwiązkowych

promieniowanie emitowane ze źródła jest dzielone na dwie wiązki, wiązkę przechodzącą przez

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

23

atomizer i wiązkę odniesienia omijającą atomizer. Obie wiązki przechodzą przez ten sam

monochromator a następnie są naprzemiennie rejestrowane przez ten sam detektor. Eliminuje się w

ten sposób błąd pomiaru wynikający ze zmian intensywności promieniowania źródła w czasie

trwania pomiaru lub zmian czułości detektora.

3.2.1. Źródła promieniowania

Źródła promieniowania stosowane w metodzie AAS muszą się charakteryzować dużą

monochromatycznością promieniowania o częstotliwości zgodnej z częstotliwością rezonansową

oznaczanego pierwiastka. Promieniowanie emitowane przez źródło powinno odznaczać się dużym

natężeniem i stabilnością. W praktyce, w metodzie AAS stosuje się lampy z katodą wnękową lub

wzbudzane wysoką częstotliwością (bądź mikrofalami) lampy bezelektrodowe.

Lampy z katodą wnękową (Hollow Cathode Lamp - HCL) (Rys. 6) są rurkami szklanymi z

okienkami kwarcowymi. Wewnątrz zamkniętej rurki znajduje się gaz szlachetny (Ne lub Ar) pod

niskim ciśnieniem (2-8 hPa). Lampy te zawierają dwie elektrody. Anodą jest drut wolframowy,

katodę stanowi wydrążony cylinder wykonany z metalu, który ma być oznaczany i którego linię

rezonansową lampa ma emitować. Oś cylindra katody odpowiada osi optycznej przyrządu. Gdy

między anodę i katodę zostanie przyłożone dostatecznie duże napięcie (rzędu kilkuset wolt), gaz

wypełniający lampę zostanie zjonizowany. Dodatnie jony gazu, bombardując katodę wybijają, z niej

atomy metalu. Atomy metalu w stanie gazowym ulegają wzbudzeniu i emitują promieniowanie,

które składa się z linii charakterystycznych dla atomów metalu, jonów metalu i gazu szlachetnego.

Natężenie promieniowania można zmieniać regulując natężenie prądu płynącego w lampie.

Odpowiednią linię można wyodrębnić z niezbyt skomplikowanego widma za pomocą prostych

monochromatorów. Lampą z katodą wnękową można oznaczać tylko jeden pierwiastek, ten z

którego została wykonana katoda. Produkuje się też lampy kilkupierwiastkowe, ale nie znajdują one

szerszego zastosowania, głównie z powodu małego natężenia wycinanej wiązki promieniowania.

Rys. 6. Lampa z osłoniętą katodą wnękową, 1 – anoda; 2 – okienko kwarcowe; 3 – gaz Ar lub He; 4 – katoda
wnękowa; 5 – ekrany z kwarcu lub miki. (R. Kocjan, Chemia analityczna. Podręcznik dla studentów. Tom 2.
PZWL, W-wa, 2000).

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

24

Lampy bezelektrodowe (Electrodeless Discharge Lamp - EDL) ze wzbudzeniem wysoką

częstotliwością są to wąskie, zamknięte rurki kwarcowe zawierające wewnątrz warstwę metalu,

który ma być oznaczony lub/i warstwę soli tego pierwiastka (1 - 2 mg). Rurka wypełniona jest

gazem szlachetnym (Ar, Ne) pod zmniejszonym ciśnieniem (0,2 - 0,8 hPa). Atomizację i

wzbudzenie uzyskuje się przez działanie pola elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości.

Lampy bezelektrodowe charakteryzują się dobrymi parametrami (natężenie linii i szerokość

połówkowa) i są bardzo trwałe. Produkuje się je głównie dla pierwiastków, dla których nie można

zbudować lamp HCL - Sb, As, Se, Te, P, Hg, Bi, Cs, Ge, K, Rb, Tl.

3.2.2. Atomizery

Zadaniem atomizerów jest otrzymywanie z dużą, powtarzalną wydajnością wolnych atomów

z próbek analitycznych. Im większa wydajność wolnych atomów w stanie podstawowym,

odniesiona do badanej próbki, tym większa czułość metody analitycznej. W procesie atomizacji

musi występować prosta proporcjonalność między stężeniem oznaczanej substancji w próbce a

stężeniem atomów w plazmie absorpcyjnej. Wytworzone atomy powinny w jak najmniejszym

stopniu ulegać wzbudzeniu i jonizacji.

Atomizacja próbki wymaga doprowadzenia energii, co realizowane jest różnymi metodami.

Najczęściej stosuje się:

•

atomizację płomieniową (F - AAS),

•

atomizację bezpłomieniową (ET - AAS) obejmującą takie techniki jak: elektryczne

ogrzewanie oporowe rurki grafitowej (piec Massmanna), atomizacja w łuku prądu

zmiennego (kuwety grafitowe Lwowa), bombardowanie powierzchni metalicznej

elektronami, odparowywanie laserowe,

•

atomizery wykorzystujące zimne pary rtęci (CV - AAS),

•

atomizery wodorkowe (HG - AAS).

Atomizer płomieniowy. Atomizacja płomieniowa wymaga przeprowadzenia ciekłej próbki

analitycznej w aerozol. Aerozol uzyskuje się najczęściej w nebulizerze pneumatycznym (Rys. 7).

W komorze nebulizera analizowany roztwór przeprowadza się w delikatną mgłę (aerozol),

następnie miesza aerozol z gazem palnym i wprowadza jednorodnie do palnika z zastosowaniem

powierzchni rozpryskowych lub sit dla odrzucenia lub rozbicia większych kropel. Gazem

zasysającym próbkę jest zawsze gaz utleniający. Mieszanina rozpuszczalnika, próbki, gazów

utleniającego i palnego wprowadzana jest do palnika szczelinowego o długości 5 – 10 cm i

szerokości 0,5 – 1,5 mm.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

25

Rys. 7. Nebulizer pneumatyczny.

Płomienie palnika muszą dostarczać energii wystarczającej do przeprowadzenia roztworu w wolne

atomy. Sam płomień powinien absorbować tylko niewielką część promieniowania emitowanego

przez źródło. Stosowane w metodzie AAS mieszaniny gazów to gaz miejski-powietrze (T = 1980

K), propan-butan-powietrze (T = 2200 K), acetylen-powietrze (T = 2600 K), acetylen-tlen (T =

3300 K), acetylen-tlenek azotu (I) (T 3220 K), wodór-powietrze (T= 2275 K) oraz wodór-tlen (T =

2825 K).

Najczęściej stosuje się płomień acetylen-powietrze. Ma on wysoką temperaturę i dopiero

poniżej 230 nm występuje wzrastająca absorpcja własna płomienia. Płomień acetylen-powietrze jest

zalecany do oznaczania następujących pierwiastków: Mg, Ca, Sr, Cr, Mb, Mn, Tc, Fe, Ru, Os, Co,

Rh, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Hg, Ga, In, Tl, Pb, Sb, Bi. Dla pierwiastków, które tworzą w

płomieniu trwałe tlenki (np. Ba, Al., B, Be, Si) konieczne jest stosowanie płomienia redukującego z

użyciem gazu utleniającego tlenku azotu (I).

Analizowana próbka może być roztworem prostej soli MA (M

+

i A

-

) lub roztworem

zawierającym inne składniki. Po wprowadzeniu prostej soli do płomienia zachodzą w niej

następujące przemiany fizykochemiczne i reakcje chemiczne (Rys. 8.):

•

Odparowanie rozpuszczalnika

M

+

+ A

-

(mgła)

↔

MA (ciało stałe)

•

Stopienie soli i przeprowadzenie jej w stan pary

MA (ciało stałe)

↔

MA (ciecz)

↔

MA (gaz)

•

Reakcja dysocjacji termicznej

MA (gaz)

↔

M(gaz) + A(gaz)

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

26

Rys. 8. Przemiany fizykochemiczne soli w atomizerze płomieniowym.

Równowaga tej reakcji uzależniona jest od temperatury płomienia. Ilość wolnych atomów

rośnie wykładniczo ze wzrostem temperatury.

Inne reakcje, takie jak jonizacja, wzbudzenie i synteza są procesami niekorzystnymi,

ponieważ zmniejszają ilość wolnych atomów w stanie podstawowym a zatem i czułość metody.

•

Reakcja jonizacji M

↔

M

+

+ e

•

Rekcje syntezy M + O

↔

MO

M + H

2

O

↔

MO + H

2

M + OH

↔

MOH

MO + CO

2

↔

MCO

3

•

Reakcje wzbudzenia M ↔ M

*

MA

↔

(MA)

*

MO ↔ (MO)

*

MOH ↔ (MOH)

*

MCO

3

↔ (MCO

3

)

*

W układach złożonych zachodzą w płomieniu dodatkowe reakcje syntezy dające trwałe sole np. z

halogenkami (AlF

3

), z kwasami tlenowymi (CaSO

4

, Ca

3

(PO

4

)

2

lub reakcje tworzenia podwójnych

tlenków metali (MgAl

2

O

4

, CaTiO

3

). Poznanie mechanizmów tych reakcji w płomieniu i znajomość

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

27

ewentualnych oddziaływań zakłócających pozwala wyeliminować przyczyny błędów w metodzie

absorpcji atomowej.

Atomizery bezpłomieniowe. Atomizery bezpłomieniowe stosuje się dla ominięcia rozcieńczania

próbek oraz uniknięcia wpływu matrycy. Najczęściej stosowanym sposobem atomizacji

bezpłomieniowej jest atomizacja elektrotermiczna w kuwecie (rurce) grafitowej (piec

Massmanna). Kuwety są to rurki grafitowe o dł. 20 – 50 mm i średnicy wewnętrznej 4 – 6 mm.

Powierzchnia rurki pokryta jest warstwą grafitu pirolitycznego, co zapobiega dyfuzji atomów w

głąb ścianek. Próbkę stałą lub ciekłą wprowadza się bezpośrednio do rurki grafitowej lub na

specjalną płytkę grafitową (platforma Lwowa), która znajduje się w atmosferze bardzo czystego

gazu obojętnego, najczęściej argonu. Ogrzewanie elektryczne, oporowe lub indukcyjne, odbywa się

w sposób programowany, sterowany za pomocą komputera. Cykl pomiarowy składa się

odparowania rozpuszczalnika, mineralizacji próbki (piroliza) i atomizacji, czyli przeprowadzenia

oznaczanej substancji do plazmy termicznej w postaci wolnych atomów.

Zaletami atomizacji elektrotermicznej są m.in. możliwość oddzielenia pierwiastka od

składników matrycy, warunki sprzyjające atomizacji trwałych termicznie tlenków oraz całkowita,

jednorazowa atomizacja wprowadzonej próbki z dużą wydajnością (w płomieniowej AAS – tylko

kilka procent).

Atomizery wodorkowe. Zdolność tworzenia łatwo lotnych wodorków przez niektóre pierwiastki

(Se, Te, As, Sb, Bi, Ge, Sn, Pb) wykorzystano do uwolnienia ich od matrycy. Wodorki tworzy się w

reakcji z silnymi substancjami redukującymi, np. z borowodorkiem sodu w środowisku kwaśnym,

następnie czyste wodorki wypłukuje się wodorem z mieszaniny reakcyjnej i wprowadza do

kwarcowej kuwety pomiarowej, ogrzewanej płomieniem lub elektrycznie do temperatury ok.

1000ºC. W tej temperaturze wodorki ulegają rozpadowi na wolne atomy i gazowy wodór

(atomizacja).

Atomizery wykorzystujące zimne pary rtęci. Stężenie par rtęci powietrzu w temperaturze 300 K

może wynosić ok. 20 ng/cm

3

i jest to wystarczające stężenie do oznaczenia rtęci metodą AAS. Rtęć

w postaci jonów Hg

2+

w roztworach można zredukować za pomocą Sn

2+

i wolną rtęć wypłukać z

mieszaniny reakcyjnej argonem. Rtęć w gazach można zatężyć na wacie złotej; z podgrzanego do

700 -800 K amalgamatu rtęć ulega desorpcji i może być przeniesiona do kuwety pomiarowej w

strumieniu argonu. Kuweta pomiarowa (absorpcyjna) to ogrzewana rurka szklana z okienkami

kwarcowymi znajdująca się w osi optycznej spektrometru absorpcji atomowej.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

28

3.2.3. Monochromatory

Zadaniem monochromatora jest eliminacja promieniowania własnego płomienia i wycięcie

linii rezonansowej z promieniowania emitowanego przez lampę z katodą wnękową (źródła

promieniowania liniowego). Monochromatory działają na zasadzie siatki dyfrakcyjnej naciętej na

powierzchni zwierciadła, które jest umieszczone na obrotowym uchwycie, umożliwiającym

kierowanie na szczelinę przepuszczającą do detektora różne długości fal (monochromatory typu

Littrowa, Eberta i Czernego – Turnera). Spektrometry AA działają w zakresie od 193,7 do 852,1 nm.

3.2.4. Detektory

Detektorem w spektrometrze absorpcji atomowej jest fotopowielacz. Jest to układ składający

się z fotokatody, szeregu dynod i anody. Zasada działania fotopowielacza polega na tym, że foton

pada na katodę, wybija z niej elektrony, które trafiają na dynodę. Każdy elektron wybija kilka

nowych elektronów z dynody. Proces ten jest powtarzany na kolejnych dynodach i w ten sposób

otrzymuje się wielokrotne wzmocnienie prądu, który jest proporcjonalny do liczby

zaabsorbowanych fotonów. Prąd przekazywany jest do miernika lub innego urządzenia

pomiarowego wyskalowanego w jednostkach absorbancji lub transmitancji. Jako rejestratory

stosowane są komputery umożliwiające jednocześnie opracowanie statystyczne wyników.

3.3. Zakłócenia podczas pomiarów i ich eliminacja

Metoda absorpcyjnej spektrometrii atomowej, podobnie jak inne metody instrumentalne,

ograniczana jest zakłóceniami spowodowanymi obecnością w analizowanym roztworze substancji

towarzyszących. Mogą one być przyczyną wielu błędów. Zakłócenia te (zwane interferencjami)

można podzielić na trzy grupy:

•

zakłócenia wynikające z nakładania się linii emisyjnych i absorpcyjnych analizowanych

pierwiastków,

•

zakłócenia wynikające z fizycznych właściwości roztworów i mające wpływ na wydajność

nebulizacji,

•

zakłócenia chemiczne powodowane zakłóceniami chemicznymi zachodzącymi w

atomizerze.

W próbkach złożonych linia rezonansowa oznaczanego pierwiastka może nakładać się z

liniami spektralnymi innych pierwiastków. Przykłady nakładania się linii spektralnych wybranych

pierwiastków przedstawiono w Tab. 9. Interferencje wywołane nakładaniem się linii można

eliminować przez wykonanie pomiarów przy innej długości fali odpowiadającej innej linii

spektralnej oznaczanego pierwiastka lub przez selektywne wyizolowanie pierwiastka oznaczanego

lub zakłócającego.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

29

Tab. 9. Nakładanie się linii spektralnych w AAS

Analizowany

pierwiastek

Długość fali

λ [nm]

Pierwiastek

przeszkadzający

Długość fali

λ [nm]

Cd

228,802

As

228,812

Al.

308,215

V

308,211

Sb

217,023

Pb

216,999

Zn

213,856

Fe

213,859

Ca

422,673

Ge

422,657

Co

252,136

In

252,137

Cu

324,754

Eu

324,753

Fe

271,903

Pt

271,904

Hg

253,652

Co

253,649

Absorpcja linii spektralnej oznaczanego pierwiastka może być pozornie zmniejszona przez

emisję promieniowania przez wzbudzone w atomizerze atomy, cząsteczki czy cząstki ciał stałych.

Duże cząstki plazmy termicznej mogą rozpraszać promieniowanie, przez co pozornie zwiększać

absorpcję. Można temu zapobiec, zwiększając efektywność nebulizacji poprzez zmniejszenie

rozmiaru kropel. Procesy emisji, absorpcji i rozpraszania promieniowania przez składniki plazmy

nie będące agalitem, można wyeliminować aparaturowo poprzez tzw. korektę tła.

Innym typem zakłóceń są interferencje chemiczne, przeważnie specyficzne dla

poszczególnych pierwiastków. Nazywa się je często efektami matrycowymi, gdyż powodowane są

składnikami matrycy. Składniki matrycy mogą powodować inną lepkość i napięcie powierzchniowe

roztworu próbki niż roztworów wzorcowych a tym samym różną wydajność nebulizacji. Problemy

takie występują zwłaszcza przy badaniu płynów fizjologicznych i olejów mineralnych. Lepkość i

napięcie powierzchniowe można zmniejszyć przez dodatek substancji powierzchniowo-czynnych i

rozpuszczalników organicznych.

Innym problemem jest wpływ składu matrycy na tworzenie związków analizowanego

pierwiastka różniących się lotnością i trwałością termiczną, wpływ na stopień dysocjacji termicznej

lub możliwość jonizacji.

Opracowano kilka sposobów eliminacji zakłóceń chemicznych:

•

zastosowanie płomienia redukującego nie dopuszcza do powstania tlenków lub powoduje

ich redukcję: MO + C = M + CO,

•

zastosowanie płomienia o wyższej temperaturze (tlenek azotu (I)-acetylen) umożliwiającego

dysocjację termiczną, która nie zachodzi w płomieniu powietrze-acetylen, np. wapń w

obecności glinu daje trwały związek CaAl

2

O

4

w płomieniu powietrze-acetylen, natomiast

dysocjuje on w płomieniu tlenku azotu (I),

•

dodanie do roztworu analizowanego odczynnika korygującego, powodującego uwolnienie

pierwiastka z trudno dysocjującego związku,

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

30

•

dodanie do roztworu analizowanego odczynnika dejonizującego (buforu), zmniejszającego

jonizację oznaczanych atomów,

•

dodatnie do roztworu analizowanego buforu nasycającego, tj. roztworu pierwiastka

zakłócającego o takim stężeniu, przy którym jego wpływ na absorbancję pierwiastka

oznaczanego jest stały.

3.4. Możliwości zastosowań AAS

•

Metodą AAS można oznaczać około 70 pierwiastków. Problematyczne jest oznaczanie niemetali.

•

AAS jest typową metodą oznaczania pojedynczego pierwiastka. Zastosowanie

spektrometrów wielokanałowych nie dało istotnego postępu w eliminacji tego ograniczenia.

•

AAS jest metodą oznaczania pierwiastków śladowych i składników ubocznych (bardzo

rzadko stosuje się ją do oznaczania składników głównych).

•

Określany zakres stężeń odpowiada w przybliżeniu jednemu rzędowi wielkości. W przypadku

możliwości pomiaru bardzo małych absorbancji zakres ten może objąć 2 – 3 rzędy wielkości.

•

AAS jest metodą względną. Do wyznaczenia stężenia wykorzystuje się krzywe wzorcowe

(wyniki dokładniejsze) lub metodę dodatków (metoda szybsza, ale mniej dokładna).

•

Metoda AAS jest podatna na wszelkiego rodzaju zakłócenia – stąd konieczność obsługi

przez personel o wysokich kwalifikacjach.

•

AAS jest techniką stosowaną w rutynowych oznaczeniach w laboratoriach metalurgicznych,

rolniczych, medycznych, biologicznych, geologicznych, ochrony środowiska i wszędzie tam,

gdzie zachodzi konieczność oznaczeń śladowych ilości pierwiastków.

Granice detekcji dla określonych długości fal wybranych pierwiastków przedstawiono w Tab. 10.

Tab. 10. Granice wykrywalności niektórych pierwiastków w metodach F-AAS i ET-AAS.

Pierwiastek Długość fali

λ [nm]

Granica detekcji F-AAS

(etyn–powietrze)

ppb [µg/dm

3

]

Granica detekcji

ET–AAS

ppb [µg/dm

3

]

Al

309,2710

500

0,01

As

193,759

14

0,12

Cd

228,8072

1

0.0002

Ca

422,673

0,5

0,01

Cu

324,754

1

0,005

Au

242,795

6

0,01

Pb

217,000

9

0.007

Hg

253,652

140

0.2

Ag

328,068

1

0,001

Fe

248,327

5

0,01

Zn

213,856

1

0,001

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

31

3.5. Metodyka pomiarów

Jak wcześniej wspomniano podstawą analizy ilościowej metodą AAS jest prostoliniowa

zależność absorbancji od stężenia analizowanego pierwiastka w próbce. Oznaczenie prowadzi się

dwiema metodami: metodą krzywej wzorcowej (krzywej kalibracyjnej) i metodą dodatku wzorca.

3.5.1. Metoda krzywej kalibracyjnej

W procesie pomiaru próbka poddawana jest różnym przemianom lub oddziaływaniom, w

wyniku których uzyskiwany jest sygnał analityczny. W metodach instrumentalnych, które w

większości są metodami porównawczymi, mierzony jest parametr fizyczny, będący funkcją stężenia

substancji analizowanej. Aby uzyskać dokładne wyniki ilościowe, wymagana jest kalibracja

względem znanych wzorców. Porównywanie z wzorcami można przeprowadzić najczęściej

następującymi metodami:

•

metodą krzywej kalibracyjnej,

•

metodą dodawania wzorca,

•

metodą wzorca wewnętrznego.

(Dwie ostatnie metody przedstawione są w instrukcjach do ćwiczeń 1 i 3.)

W przeważającej części metod detekcji mierzony parametr jest funkcją liniową stężenia

analitu;

Y = ac + b,

gdzie: Y - wielkość mierzona, c – stężenie analitu, a – współczynnik proporcjonalności,

a = BC/AB = tg α, b – wartość stała, jest często wartością eksperymentalną ślepej

próby.

którą można przedstawić graficznie (Rys. 10a)

Rys. 10a. Krzywa kalibracyjna Y = ac + b

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

32

Współczynnik proporcjonalności a określa czułość metody; im większe zmiany wartości mierzonej

Y na jednostkę stężenia c, tym większa jego wartość i tym wyższa czułość metody. Metody o małym

kącie nachylenia krzywych kalibracyjnych nie są przydatne do celów analitycznych. Parametr b

może przyjmować wartości dodatnie, ujemne lub zero.

W metodzie krzywej kalibracyjnej przygotowuje się szereg roztworów o znanych stężeniach

substancji analizowanych oraz tzw. ślepą próbę – roztwór, w którym są wszystkie składniki

roztworów wzorcowych z wyjątkiem analitu i dla każdego roztworu mierzy się wartość Y.

Zależność Y od c wzorców wykreśla się (Rys. 10b) lub wylicza równanie prostej. Wartość Y

mierzy się również dla próbki badanej, nanosi na krzywą kalibracyjną i odczytuje stężenie lub

oblicza z równania prostej.

Rys. 10b. Krzywa kalibracyjna Y = a c

Przed przystąpieniem do oznaczeń metodą krzywej kalibracyjnej należy zbadać zakres

prostoliniowej zależności wartości mierzonej od stężenia analitu (Rys. 10c).

Rys. 10c. Krzywa kalibracyjna o ograniczonym zakresie stosowania

Na przedstawionej na Rys. 10c krzywej kalibracyjnej do celów analitycznych nadaje się zakres

stężeń od 0 do 5 (odcinek krzywej 0D). Krzywą kalibracyjną należy wykonywać w dniu pomiarów,

D

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

33

zmiana warunków pomiarów (np. temperatury) czy użycie innej partii odczynników może

powodować przesunięcie krzywej kalibracyjnej na osi Y lub zmianę nachylenia prostej Y = f(c).

Na wartość wielkości mierzonej może mieć duży wpływ matryca, czyli to wszystko, co

wprowadzamy do układu pomiarowego poza substancją oznaczaną. Udział matrycy należy

uwzględnić przy sporządzaniu roztworów wzorcowych, dbając by roztwory wzorcowe miały skład i

właściwości fizyko-chemiczne jak najbardziej zbliżone do właściwości roztworu analitu.

Zmniejszenie wpływu matrycy na wartość wielkości mierzonej można niekiedy uzyskać przez

wprowadzanie do próbki substancji maskujących. Ograniczenie wpływu matrycy może być trudne

lub niemożliwe, jak często bywa w przypadku próbek środowiskowych, należy wtedy zastosować

metodę dodawania wzorca lub zmienić sposób przygotowania próbki do pomiarów.

4. Wykonanie ćwiczenia

4.1. Przygotowanie roztworów podstawowych i wzorcowych soli ołowiu

Roztwór podstawowy ołowiu

W kolbce miarowej o pojemności 500 cm

3

znajduje się 95,9 mg azotanu ołowiu (II) Pb(NO

3

)

2

.

Dodano ok. 5 cm

3

wody dwukrotnie destylowanej a następnie 5 cm

3

stężonego kwasu solnego o

czystości cz.d.a. Po całkowitym rozpuszczeniu soli kolbkę uzupełniono wodą destylowaną do

kreski. Otrzymany roztwór zawiera w 1 cm

3

120 µg ołowiu. Należy obliczyć stężenie Pb w

otrzymanym roztworze w ppm. Następnie rozcieńczyć go do stężenia 10 ppm w kolbce miarowej o

objętości 100 cm

3

.

Przygotowanie roztworów wzorcowych ołowiu

Roztwór podstawowy soli Pb stężeniu 10 ppm należy użyć do przygotowania roztworów

wzorcowych o następujących stężeniach: 0,0 ppm; 0,4 ppm; 0,8 ppm;1,6 ppm; 4,0 ppm i 8,0 ppm w

kolbkach miarowych o poj. 10 cm

3

. Do każdego roztworu należy dodać po 0,1 cm

3

stężonego

kwasu solnego. Przygotowane roztwory starannie wymieszać.

Przygotowanie badanych próbek wody do pomiarów

Badane próbki wody należy pobrać do kolbek miarowych o poj. 10 cm

3

, dodać po 0,1 cm

3

stężonego kwasu solnego, uzupełniając badaną wodą do kreski.

4.2. Zapoznanie się z budową i zasadą działania spektrometru absorpcji atomowej.

Wykonanie pomiarów absorbancji dla roztworów wzorcowych i badanych próbek przy

użyciu spektrometru absorpcji atomowej z atomizerem płomieniowym. Należy wykonać po 5

powtórzeń dla każdego roztworu wzorcowego i próbek badanych.

Monitoring i ocena środowiska – Ćwiczenie 5

34

4.3. Opracowanie wyników.

W sprawozdaniu podać:

•

podstawy jakościowej i ilościowej analizy metodą atomowej spektrometrii absorpcyjnej,

•

opis próbek,

•

warunki pomiaru (pracy spektrometru AA) dla oznaczanego pierwiastka,

•

wykreślić krzywą kalibracyjną A = f(c

Pb

[ppm]), zaznaczyć stężenie ołowiu w badanych

próbkach na krzywej kalibracyjnej. Wyliczyć równanie prostej metodą najmniejszych

kwadratów oraz obliczyć współczynnik korelacji. Wyliczyć stężenie z równania krzywej

kalibracyjnej. Wyniki oznaczeń stężenia ołowiu w ppm i w µg/dm

3

w badanych próbkach

podać jako wartości średnie z przedziałami ufności dla poziomu istotności α = 0,05,

•

porównanie oznaczonych zawartości ołowiu ze standardami jakości wody,

•

wnioski dotyczące wykonania i wyników oznaczeń.

Literatura

1.

Dittrich K, Absorpcyjna spektrometria atomowa, PWN Warszawa 1988.

2.

Pinta M, Absorpcyjna spektrometria atomowa. Zastosowanie w analizie chemicznej, PWN,

Warszawa 1977.

3.

Ewing GW, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, Warszawa 1980.

4.

Minczewski J, Marczenko Z, Chemia Analityczna, Tom 3, PWN, Warszawa 1985.

5.

Szczepaniak W, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, Warszawa 1996.

6.

Kocjan R, Chemia analityczna, PZWL, Warszawa, 2000.

7.

Namieśnik J, Metody instrumentalne w kontroli zanieczyszczeń środowiska, Politechnika

Gdańska, Gdańsk, 1992.

8.

Reczyński W, Bochnia T, Metody atomowej spektroskopii absorpcyjnej i jej zastosowanie w

fizjologii roślin, Wiadomości Botaniczne, 34, 37, 1990