Instrukcja do ćwiczeń

Ćwiczenie 5.

OZNACZANIE FENOLI LOTNYCH Z PARĄ WODNĄ STANDARDOWYMI
METODAMI CHEMICZNYMI
Wg E. Szczepaniak-Cięciak, P. Kościelniak „Chemia Środowiska – ćwiczenia i seminaria”,
Wydawnictwo UJ, Kraków 1999

Fenole są często spotykanymi zanieczyszczeniami wód powierzchniowych

wprowadzanymi głównie ze ściekami przemysłowymi oraz w mniejszym stopniu ze ściekami
komunalnymi. Duże ilości fenoli zawierają ścieki koksownicze, petrochemiczne, pochodzące
z fabryk tworzyw sztucznych, barwników, farm i lakierów, klejów oraz z zakładów
farmaceutycznych. Źródłem fenoli w ściekach komunalnych są spływy z gospodarstw
hodowlanych i rzeźni. Fenole o właściwościach bakteriobójczych (np. lizol) były
wykorzystywane do dezynfekcji urządzeń sanitarnych w obiektach użyteczności publicznej.

W ściekach najczęściej występują fenole jedno- i diwodorotlenowe. Do

jednowodorotlenowych należą np.: fenol, o-, m- i p- krezole, izomeryczne ksylenole oraz ich
pochodne chlorowcowane, np. chlorofenole. Do fenoli diwodorotlenowych zaliczamy m.in.
trzy izomeryczne di-hydroksybenzeny: pirokatechinę, rezorcynę i hydrochinon.

Z chemicznego punktu widzenia fenole należą do związków aromatycznych, spośród

których wyróżniają się obecnością co najmniej jednej grupy hydroksylowej – OH związanej
bezpośrednio z węglem pierścienia aromatycznego. Hydroksyl odgrywa rolę grupy funkcyjnej
i decyduje o specyficznych właściwościach fizykochemicznych fenoli.

Rozpuszczalność fenoli w wodzie jest zróżnicowana. Spośród wyżej wymienionych

naljepiej rozpuszcza się rezorcyna i pirokatechina (odpowiednio 80 i 45 g w 100 g wody
w temp. 25

o

C), w mniejszym stopniu fenol i hydrochinon (9,3 i 8 g) oraz krezole i ksylenole

(<3 g). Rozpuszczalność fenoli rośnie w środowisku alkalicznym na skutek tworzeni soli –
fenolanów (fenole mają charakter słabych kwasów) oraz w rozpuszczalnikach organicznych,
w tym niepolarnych, np. w chloroformie i CC1

4

.

Z porównania rozpuszczalności związków fenolowych w wodzie wynika, że najdłużej

w środowisku utrzymują się ksylenole i krezole. W wodzie fenole ulegają stosunkowo łatwo
procesom chemicznego i biochemicznego utlenienia, które skracają czas ich obecności.

 Ścisła kontrola zawartości fenoli w wodzie wynika z następujących przesłanek:
 przy uzdatnianiu wody przez chlorowanie fenole tworzą chlorofenole, związki

o przykrym zapachu i smaku. Z tego powodu nawet niewielkie ilości fenoli w wodzie
(rzędu 0,005 g/dm

3

) mogą uniemożliwić jej wykorzystanie do zasilania sieci

wodociągowej. Chlorofenole usuwa się z wody przez ozonowanie, adsorpcję na węglu
aktywnym, przechlorowywa-nie, chloraminowanie, traktowanie ditlenkiem chloru;

 przy wyższych stężeniach fenole są toksyczne. Jako związki aromatyczne mogą być

promotorami działania kancerogennego;

 dobra rozpuszczalność w tłuszczach przy słabej rozpuszczalności w wodzie sprzyja ich

kumulacji w organizmach roślinnych i zwierzęcych (ryby);

 podwyższają biochemiczne i chemiczne zapotrzebowanie tlenu w wodzie (BZT

i ChZT), pogarszając warunki życia i biologicznego samooczyszczania wód;

 mogą zmieniać barwę wody. Produkty utleniania i kompleksy fenoli z jonami Fe

3+

są

barwne.

Działanie poszczególnych związków fenolowych na środowisko wodne i ich uciążliwość przy
uzdatnianiu wody nie są jednakowe. Szczególnie szkodliwe są fenole jednowodorotlenowe
określane jako „lotne z parą wodną".

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Ochrony Środowiska, w sprawie klasyfikacji dla

prezentowania stanu wód powierzchniowych i podziemnych, sposobu prowadzenia
monitoringu oraz sposobu interpretacji wyników i prezentacji stanu tych wód (Dz. U. z 2004
r. Nr 32, poz. 284, zał. 1) dopuszczalne zanieczyszczenie śródlądowych wód
powierzchniowych fenolami lotnymi z parą wodną wynosi odpowiednio:

 do 0,001 mg/dm

3

dla I klasy czystości,

 do 0,005 mg/dm

3

dla II klasy,

 do 0,01 mg/dm

3

dla III klasy.

Zawartości fenoli przekraczające 0,05 mg/dm

3

kwalifikują wodę do ścieków, która musi być

poddana oczyszczaniu przed odprowadzeniem jej do rzek i zbiorników wodnych.
Według zaleceń Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) z roku 1972 zawartość fenoli
lotnych z parą wodną w wodach przeznaczonych do picia nie powinna przekraczać 0,001
mg/dm

3

.

Oznaczenie fenoli lotnych z parą wodną w wodach powierzchniowych i ściekowych składa

się z następujących etapów:

 Pobranie i utrwalenie próbek

Analiza powinna być wykonana w czasie nie dłuższym niż 4 godz. po pobraniu próbki.
Próbka utrwalona może być przechowywana 24 godz.

 Przygotowanie próbek do oznaczeń ilościowych.

Najczęściej przeprowadza się oddzielanie fenoli od substancji przeszkadzających
metodą destylacji z parą wodną lub przez ekstrakcję

Destylacja wstępna próbki z parą wodną

Destylacja z parą wodną poprzedza oznaczenie fenoli lotnych, niezależnie od metody

analitycznej. Wyjątek stanowi oznaczenie chlorofenoli w wodzie pitnej, przy którym zamiast destylacji
stosuje się ekstrakcję eterem naftowym.

Do warunków zapewniających rozdział fenoli lotnych i nielotnych podczas destylacji należą:

 zakwaszenie środowiska do pH = 4,0 z zastosowaniem H

3

PO

4

(w środowisku kwaśnym fenole są

niezdysocjowanymi kwasami, a fenolany nie destylują z parą wodną),

 dodatek CuSO

4

, który pełni rolę inhibitora biodegradacji (jony Cu

2+

tworzą nielotne kompleksy

z fenolami wielowodorotlenowymi, wytrącają ewentualne zanieczyszczenia jonami S

2-

w postaci

CuS, a niska wartość pH zapobiega tworzeniu się Cu(OH)

2

, który utlenia fenole).

Lotne z parą wodną są te substancje, których prężności par w temperaturze wrzenia

wody są wysokie. Znaczne zróżnicowanie temperatur wrzenia fenoli jednowodorotlenowych
(lotnych) i wielowodorotlenowych (nielotnych) umożliwia ich rozdzielenie podczas destylacji
z parą wodną. Ponieważ poszczególne związki fenolowe oddestylowują stopniowo, konieczne
jest przedestylowanie całej objętości próbki wody. W pozostałości znajdują się głównie
fenole diwodorotlenowe obok substancji utrwalających, kwasu L-askorbinowego i CuS.

W destylacie obok fenoli jednowodorotlenowych występują lotne zanieczyszczenia

organiczne (węglowodory, kwasy tłuszczowe). O ich obecności świadczy mętność destylatu.
Połączenia te rozpuszczając związki fenolowe, uniemożliwiają ich oznaczenie w roztworze
wodnym. Dla oddzielenia zanieczyszczeń destylat poddaje się ponownej destylacji z parą
wodną w warunkach analogicznych jak podczas destylacji wstępnej. Zwykle destylacja
wtórna wystarcza do oddzielenia zanieczyszczeń. Jeśli jednak drugi destylat jest nadal mętny,
zanieczyszczenia oddziela się na drodze ekstrakcji, przy użyciu niepolarnych
rozpuszczalników organicznych (chloroform, CC1

4

).

Metody oznaczenie fenoli lotnych z parą wodną

Metody chemiczne są najczęściej wykorzystywane do oznaczania fenoli lotnych

w wodach. Nie wymagają one stosowania skomplikowanej i drogiej aparatury.

Do znormalizowanych metod oznaczania fenoli należą:

 miareczkowa metoda bromometryczna (wg PN-72/C-04602/04), odpowiednia dla stężeń

fenoli lotnych powyżej 10 mg/dm

3

,

 metoda spektrometryczna z 4-aminoantypiryną (wg PN-ISO 6439: 1994)

Wymienione metody różnią się nie tylko zakresem oznaczanych stężeń fenoli lotnych,

lecz także czułością reakcji w stosunku do określonych rodzajów fenoli (izomerów). Na ogół
obecność dodatkowych podstawników w pierścieniu aromatycznym zmniejsza czułość
reakcji. Istotne znaczenie ma również ich położenie w pierścieniu.

Metody chemiczne pozwalają wyznaczyć tzw. indeks fenolowy. Według definicji

podanej w normie międzynarodowej określa on ilość związków fenolowych w mg fenolu/dm

3

badanej wody, które w ściśle określonych warunkach danej metody reagują podobnie jak
fenol.

Miareczkowa metoda bromometryczna jest szczególnie przydatna do oznaczania

fenoli lotnych w ściekach przemysłowych. Może być także użyta do oznaczania fenoli di-
wodorotlenowych w pozostałości podestylacyjnej. Metoda ta ma podstawowe znaczenie przy
sporządzaniu skali wzorców fenolowych w metodach spektrometrycznych.

Metody spektrometryczne, w zależności od stosowanej procedury, są używane do

oznaczania fenoli lotnych w wodach powierzchniowych i ściekowych i w wodach pitnych
spełniających Dyrektywę 80/778/EWG.

Oznaczanie fenoli lotnych z parą wodną metodą bromometryczną

Zasada oznaczania fenoli metodą bromometryczną

Metoda bromometryczną opiera się na reakcji elektrofilowej substytucji cząsteczkowego
bromu do pierścienia aromatycznego fenoli. W środowisku wodnym przebiega reakcja:

OH

OH

Br

Br

Br

+

3Br

2

+

3HBr

Potrzebny w nadmiarze cząsteczkowy brom wytwarza się w reakcji dyspro-

porcjonowania jonów bromianowych z bromkowymi w środowisku kwaśnym według
równania:

BrO

3

-

+ 5 Br

-

+ 6 H

+

= 3 Br

2

(



) + 3 H

2

O

(2)

Brom, który nie przereagował z fenolami, reaguje z jonami jodkowymi,

zastosowanymi również w namiarze według reakcji:

Br

2

+ 2 I

-

= I

2

+ 2 Br

-

(3)

Wydzielony jod w środowisku obojętnym reaguje z tiosiarczanem sodu według

równania:

I

2

+ 2 S

2

O

3

2-

= 2I

-

+ S

4

O

6

2-

(4)

Ilościowy przebieg procesu jest warunkowany przez:

 nadmiar bromu w stosunku do fenoli, co implikuje dobór wielkości analizowanej

próbki, stężenia i objętości roztworu bromianowo-bromkowego. Wskaźnikiem nadmiaru
bromu jest brązowo-żółte zabarwienie roztworu po bromowaniu;

 szczelność naczyń reakcyjnych, gdyż brom jest pierwiastkiem lotnym;

(1)

 prowadzenie reakcji bez dostępu światła, które katalizuje konkurencyjną reakcję addycji

bromu do pierścienia;

 prowadzenie reakcji bromowania w ściśle określonym czasie;
 nadmiar jonów jodkowych w stosunku do bromu i określony czas eliminacji bromu;
 dobór stężenia roztworu tiosiarczanu sodu (0,05 lub 0,005 M), w zależności od objętości

i stężenia roztworu bromianowo-bromkowego, zgodnie z ogólnymi zasadami analizy
miareczkowej;

 punkt końcowy zmiareczkowania ustala się przy użyciu świeżo przygotowanego

wskaźnikowego roztworu skrobi, która tworzy z wolnym jodem kompleks o barwie
fioletowej. Ze względu na trudność w desorpcji jodu z kompleksu do roztworu wskaźnik
należy dodać pod koniec miareczkowania;

 stosowanie stałej objętości wskaźnika skrobiowego w przypadku, gdy jest on

stabilizowany kwasem salicylowym (pochodna fenolu).
Zawartość fenoli w analizowanych próbkach jest proporcjonalna dla ilości bromu, która

z nimi przereagowała. Oblicza się ją z różnicy objętości roztworu tiosiarczanu sodu
zużytego na zmiareczkowanie próby ślepej i badanej. Do obliczeń stosuje się wartości
średnie uzyskane z co najmniej dwóch oznaczeń różniących się nie więcej niż o 0,5% od
wartości średniej.

Sposób wykonania

Destylacja z para wodną

Wykorzystać zestaw do destylacji fenoli. Do kolby kulistej o pojemności 250 cm

3

odmierzyć cylindrem zależnie od spodziewanego stężenia fenoli 100 cm

3

badanej próbki

wody lub ścieku i uzupełnić wodą destylowaną do 125 cm

3

. Dodać do próbki 5 kropli oranżu

metylowego i za pomocą roztworu kwasu fosforowego(V) (1:9) doprowadzić pH do poniżej
4,0. Następnie dodawać 2,5 cm

3

roztworu CuSO

4

. (Jeżeli próbka była utrwalona, nie należy

dodać H

3

PO

4

i CuSO

4

). Oddestylować ok. 100 cm

3

cieczy, przerwać destylację na parę minut,

po czym dodać do kolby 25 cm

3

wody destylowanej i kontynuować destylację do uzyskania

około 125 cm

3

destylatu. Destylat przenieść ilościowo do kolby miarowej i dopełnić wodą

destylowaną do 200 cm

3

.

Jeżeli destylat jest całkowicie przezroczysty, można zrezygnować z ekstrakcji

chloroformem i oznaczać fenole wprost z destylatu.

Gdy destylat jest mętny lub na jego powierzchni znajduje się warstewka oleju, należy

przedestylowaną próbkę ponownie zakwasić kwasem fosforowym i zadać 5 cm

3

roztworu

CuSO

4

i ponowić destylację z parą wodną w taki sam sposób. Jeżeli dwukrotna destylacja jest

niewystarczająca do oczyszczenia próbki, dodatkowo przeprowadza się ekstrakcję.

Oznaczenie fenoli metodą bromometryczną

Destylat przenieść ilościowo do kolby miarowej o pojemności 200 cm

3

i dopełnić

wodą do kreski. Objętość destylatu, którą należy odmierzyć do oznaczenia zależy od
spodziewanego stężenia fenoli w badanej próbce - uzgodnić z prowadzącym ćwiczenia:

Pobrać pipetą wyznaczoną objętość destylatu do kolby stożkowej z doszlifowanym

korkiem i w przypadku gdy jest ona mniejsza niż 100 cm

3

, uzupełnić ją wodą destylowaną do

100 cm

3

. Dodać pipetą - 10 cm

3

roztworu 0,017 M KBr0

3

+ 0,1 M KBr. Następnie dodać przy

pomocy cylindra miarowego 10 cm

3

roztworu kwasu siarkowego(VI). Kolbę starannie

zamknąć, dokładnie wymieszać zawartość, pozostawić na okres co najmniej 20 min
w ciemnym miejscu. Jeżeli brunatne zabarwienie, wywołane obecnością wolnego bromu,
zniknie, powtórzyć oznaczenie z mniejszą objętością destylatu.

Gdy po 20 min brunatne zabarwienie utrzyma się, dodać przy pomocy cylindra

miarowego 10 cm

3

10% roztworu KI, kolbę zamknąć i odstawić na 10 min w ciemne miejsce.

Następnie odmiareczkować wydzielony jod mianowanym roztworem tiosarczanu sodu,
o stężeniu 0,05 mol/dm

3

Na

2

S

2

O

3

- najpierw do jasnożółtego zabarwienia, a następnie dodać

2 cm

3

roztworu skrobi jako wskaźnika i miareczkować do odbarwienia się roztworu.

Wykonać dwa równoległe oznaczenia dla próby badanej i kontrolnej (z taką samą objętością
wody destylowanej i roztworu bromianowo-bromkowego). Oznaczenia powtórzyć.

Zawartość fenoli lotnych w badanej próbce wody obliczyć ze wzoru:

r

V

1000

M

C

)

V

(V

6

1

x

p

1

o













[mg/dm

3

]

gdzie:
V

o

- objętość mianowanego roztworu Na

2

S

2

O

3

zużyta na zmiareczkowanie próbki kontrolnej

wody destylowanej, cm

3

,

V

1

- objętość mianowanego rozworu Na

2

S

2

O

3

zużyta na zmiareczkowanie badanej próbki

ścieku (wody), cm

3

,

C - stężenie roztworu tiosiarczanu sodu, mol/dm

3

,

M - 102 g/mol, umownie przyjęta masa molowa fenolu. Dla czystego fenolu C

6

H

5

OH masa

molowa wynosi 94 g/mol,

r - rozcieńczenie: stosunek objętości kolby miarowej z destylatem do objętości próbki

pobranej do bromowania, cm

3

,

V

p

- objętość badanej próbki ścieku (wody) wzięta do destylacji, cm

3

.

Odczynniki, naczynia i przyrządy
Czystość odczynników: cz.d.a.
- Roztwór bromianowo-bromkowy:

0,017 M KBrO

3

+ 0,1 M KBr; w kolbie miarowej o poj. 1 dm

3

rozpuścić 2,784 g KBrO

3

i następnie 10 g KBr, uzupełnić wodą destylowaną do kreski i wymieszać;

- Jodek potasu, roztwór 10% KI.
- Kwas fosforowy(V), roztwór H

3

PO

4

(1:9).

- Kwas siarkowy (VI), roztwór H

2

SO

4

(1:4).

- Oranż metylowy, roztwór wskaźnikowy 0,1%.
- Siarczan(VI) miedzi(II), CuSO

4



5 H

2

O roztwór 10%.

- Świeżo sporządzony roztwór skrobi (1%). 0,1 g rozpuszczalnej skrobi rozmieszać z 2 cm

3

zimnej wody destylowanej i mieszając dodać do 8 cm

3

wrzącej wody destylowanej.

- Tiosiarczan sodu:

- roztwór 0,05 M Na

2

S

2

0

3

, mianowany,

- Wodorotlenek sodu roztwory 0,1 M NaOH.
Zestaw do destylacji fenoli z kolbą 250 cm

3

. Pipety jednomiarowe: 10, 25,5 0 cm

3

, cylindry

miarowe 10, 100 cm

3

, biureta 50 cm

3

, zlewki, kolba miarowa 200 cm

3

, 4 kolby stożkowe

z doszlifowanym korkiem 300 cm

3

, płaszcz grzejny lub palnik, waga techniczna, kamyczki

wrzenne, statywy z kółkami.

Roztwór wzorcowy fenolu – 1 g/dm

3

– 100 cm

3

W próbce 20 lub 40 mg fenolu?

M fenolu – 94 g/mol
a/b z reakcji 1 – 4 = 1/6

mg fenolu = (V

o

– V

1

)*0,05/6*94*rozc

czyli dla np. 10 ml różnicy jest 7,83 mg czyli połowa tego co wychodzi z podanego wyżej
wzoru po przyjęciu mnożnika 15,68 dla czystego fenolu

ślepa próba
V bromianu=30 ml, C=0,017 M ; n=0,51 mmoli bromianu = 1,53 mmoli Br

2

= 3,06 mmoli

tiosiarczanu = 61,2 ml 0,05 M tiosiarczanu!!