1
Numer
ćwiczenia:
11
Dział analizy i temat ćwiczenia:
Analiza instrumentalna – spektrofotometria.
Oznaczanie żelaza(III) metodą rodankową.
Data wykonania
ćwiczenia:
20.05.13 r.
Data oddania
sprawozdania:
27.05.13 r.
Grupa:
A3
Imię i nazwisko:
Przemysław Kołoczek
Nazwisko
sprawdzającego:
Uwagi:
Ocena:
2
1. Wstęp.
Spektrofotometria wykorzystuje pomiary stopnia absorpcji promieniowania
elektromagnetycznego w zakresie UV, Vis i bliskiej podczerwieni, w zależności od stężenia
analitu w próbce. Metodą tą można oznaczać zarówno substancje organiczne
(posiadające wiązania π lub grupy chromoforowe) jak i nieorganiczne (barwne, lub
absorbujące w zakresie UV). Często do uzyskania barwnych związków wykorzystuje się
reakcje kompleksowania. Analiza ilościowa w spektrofotometrii UV-Vis wykorzystuje
prawo Lamberta-Beera:
𝐴
𝜆
= 𝜀
𝜆
∙ 𝑙 ∙ 𝑐
gdzie:
A
λ
– absorbancja (ekstynkcja) badanej próbki przy danej długości fali,
ε
λ
– molowy współczynnik absorpcji przy danej długości fali [dm
3
/mol·cm],
l – grubość warstwy absorbującej [cm],
c – stężenie analitu w próbce [mol/dm
3
].
Z kolei absorbancja określona jest wzorem:
𝐴 = log
𝐼
0
𝐼
gdzie:
I
0
– natężenie promieniowania monochromatycznego padającego na próbkę
I – natężenie promieniowania monochromatycznego po przejściu przez próbkę.
Czasami w spektrofotometrii (w szczególności IR) używa się transmitancji danej wzorem:
𝑇 =
𝐼
𝐼
0
⇒ 𝐴 = − log 𝑇
Ponadto absorbancja jest wielkością addytywną (prawo addytywności absorbancji):
𝐴 = ∑ 𝐴
𝑖
𝑛
𝑖=1
= 𝑙 ∙ ∑ 𝜀
𝑖
𝑐
𝑖
𝑛
𝑖=1
Jeżeli badany układ spełnia prawo Lamberta-Beera to zależność absorbancji od stężenia
analitu jest prostoliniowa, co wykorzystuje się w metodzie kalibracji oznaczenia.
Najczęściej stosowaną metodą kalibracji jest metoda serii wzorców, która polega na
sporządzeniu serii roztworów o znanych stężeniach analitu, dokonaniu pomiarów sygnału
dla każdego z nich i wykreśleniu zależności sygnału w funkcji stężenia analitu. Następnie
postępuje się analogicznie z próbką i sygnał dla niej zmierzony odnosi się do krzywej
kalibracyjnej, wyznaczając w ten sposób zawartość analitu w próbce. Do pomiarów
absorbancji używa się spektrofotometru. Jego elementy, to: źródło promieniowania
(lampa wolframowa i halogenowa do Vis; deuterowa, wodorowa, ksenonowa do UV),
monochromator (pryzmat, siatka dyfrakcyjna), komora pomiarowa (uchwyt i kuweta),
detektor (fotokomórka, fotopowielacz, fotodioda) i miernik (galwanometr, układ scalony).
3
Oznaczanie żelaza(III) metodą rodankową opiera się na omówionej wcześniej metodzie
serii wzorców. Fe
3+
reaguje z anionami tiocyjanianowymi, dając związki kompleksowe o
barwie czerwonej, wykazujące maksimum absorpcji przy długości fali równej 480 nm. W
zależności od stężeń reagentów i pH powstaje związek kompleksowy [FeSCN]
2+
, przy czym
reakcja zachodzi już przy mikrogramowych stężeniach Fe
3+
.
2. Część doświadczalna.
a) Sprzęt i odczynniki:
– 2 kolby miarowe 100 cm
3
,
– Podstawowy roztwór wzorcowy
– 9 kolb miarowych 50 cm
3
,
Fe
3+
1 mg/cm
3
,
– biureta 10 cm
3
,
– 0,1% roztwór HCl,
– pipeta półautomatyczna 1 cm
3
,
– 0,1M roztwór HCl,
– pipeta jednomiarowa 20 cm
3
,
– 20% roztwór KSCN,
– zlewka 400 cm
3
,
– woda destylowana.
– lejek,
– spektrofotometr LAMBDA XLS,
– 2 polietylenowe kuwety pomiarowe.
b) Wykonanie.
Przepłukano kilkakrotnie 0,1% roztworem HCl kolbę na 100 cm
3
. Do tak przygotowanej
kolby dodano ściśle 1 cm
3
podstawowego roztworu wzorcowego Fe
3+
o stężeniu 1
mg/cm
3
za pomocą pipety automatycznej. Kolbę uzupełniono 0,1% roztworem HCl do
kreski, zamknięto korkiem i wymieszano, odwracając kolbę kilkakrotnie do góry dnem,
otrzymując w ten sposób roboczy roztwór wzorcowy Fe
3+
o stężeniu 10 μg/cm
3
.
Następnie przepłukano 0,1M roztworem HCl 6 kolb miarowych 50 cm
3
i do każdej
wprowadzono odpowiednio: 0,00; 2,00; 4,00; 6,00; 8,00 i 10,00 cm
3
roboczego
roztworu wzorcowego Fe
3+
, za pomocą biurety 10 cm
3
, otrzymując w ten sposób
roztwory o stężeniach Fe
3+
(po późniejszym uzupełnieniu do kreski) odpowiednio: 0,0;
0,4; 0,8; 1,2; 1,6 i 2,0 μg/cm
3
. Włączono spektrofotometr, wybrano funkcję pomiaru
absorbancji i ustawiono długość fali na 480 nm. Do pierwszej kolby (próba ślepa)
dodano 5 cm
3
20% roztworu KSCN, uzupełniono 0,1M roztworem HCl do kreski,
dokładnie wymieszano. W komorze pomiarowej spektrofotometru, umieszczono
kuwetę z roztworem ślepej próby i wyzerowano urządzenie. Do kolejnej kolby dodano
roztworu KSCN, uzupełniono roztworem HCl i wymieszano. Następnie dokonano
pomiaru absorbancji dla tego roztworu w drugiej kuwecie pomiarowej. Analogicznie
postąpiono z pozostałymi roztworami wzorcowymi, za każdym razem zerując
urządzenie na próbę ślepą, a także za każdym razem przepłukując kilkakrotnie drugą
kuwetę odpowiednim roztworem. Otrzymany do oznaczenia roztwór przeniesiono
ilościowo z pomocą lejka do skalibrowanej kolby miarowej 100 cm
3
, przepłukano lejek,
a roztwór uzupełniono wodą destylowaną do kreski i wymieszano. Trzykrotnie pobrano
skalibrowaną pipetą odpowiednią objętość przygotowanego roztworu do oznaczenia
do trzech kolb miarowych 50 cm
3
, przemytych wcześniej 0,1% roztworem HCl. Dalej
postępowano analogicznie jak w przypadku roztworów wzorcowych.
4
3. Wyniki.
Tabela 1. Wyniki pomiarów.
𝐶
𝐹𝑒
3+
[
𝜇𝑔
𝑐𝑚
3
]
𝐴
1
𝐴
2
𝐴
3
𝐴
0,0
0,000
0,000
0,000
0,000
0,4
0,063
0,062
0,059
0,061
0,8
0,144
0,142
0,139
0,142
1,2
0,208
0,206
0,204
0,206
1,6
0,277
0,274
0,271
0,274
2,0
0,338
0,335
0,333
0,335
C
1
0,179
0,176
0,175
0,177
C
2
0,186
0,183
0,180
0,183
C
3
0,180
0,177
0,175
0,177
4. Opracowanie wyników.
a) Obliczenia.
Obliczono średnią absorbancję dla każdego roztworu wzorcowego i próbki, na
podstawie wzoru:
𝐴 = ∑ 𝐴
𝑛
𝑛
𝑖=1
gdzie:
𝑛 – liczba wyników,
𝐴
𝑛
– n-ty wynik absorbancji.
Otrzymane wyniki wprowadzono do Tabeli 1.
Ponieważ wynik średniej absorbancji dla próbki oznaczonej symbolem C
2
odbiega od
pozostałych, przeprowadzono dla niego test Grubbsa aby sprawdzić, czy jest on
obarczony błędem grubym. W tym celu skorzystano ze wzoru:
𝐺
𝑚𝑎𝑥
=
|𝑥
𝑚𝑎𝑥
— 𝑥|
𝑠
𝑥
gdzie:
𝐺
𝑚𝑎𝑥
– wartość krytyczna testu Grubbsa dla największego wyniku,
𝑥
𝑚𝑎𝑥
– największy wynik,
𝑥 – średnia arytmetyczna wyników,
𝑠
𝑥
– odchylenie standardowe wyników.
𝐺
𝑚𝑎𝑥
= 1,15
Wartość tablicowa dla 3 wyników oraz poziomu istotności 5% wynosi 1,15. Wynika
stąd, że wynik ten jest obarczony błędem grubym i należy go odrzucić.
5
Wykres 1. Krzywa kalibracji.
Sporządzono wykres zależności absorbancji od stężenia Fe
3+
, dopasowano do niego
linię trendu i wyświetlono jej równanie, za pomocą arkusza kalkulacyjnego Excel oraz
danych zawartych w Tabeli 1.:
Obliczono stężenie żelaza(III) dla danych próbek na podstawie otrzymanej zależności
liniowej:
𝑦 = 𝑎𝑥 + 𝑏
oraz następujących zależności:
𝑦 = 𝐴
𝑛
𝑥 = 𝐶
𝑛
gdzie:
𝐴
𝑛
– średnia absorbancja danego roztworu,
𝐶
𝑛
– stężenie żelaza(III) danego roztworu [μg/cm
3
].
𝐶
𝑛
=
𝐴
𝑛
− 𝑏
𝑎
𝑎 = 0,1699
𝑏 = −0,0002
𝐴
1
= 0,177
𝐴
3
= 0,177
𝐶
1
= 1,04 𝜇𝑔/𝑐𝑚
3
𝐶
3
= 1,04 𝜇𝑔/𝑐𝑚
3
y = 0.1699x - 0.0002
R² = 0.9987
0.000
0.035
0.070
0.105
0.140
0.175
0.210
0.245
0.280
0.315
0.350
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
A
C
Fe3+
[μg/cm
3
]
Krzywa wzorcowa roztworu Fe
3+
6
Obliczono średnie stężenie żelaza(III) w badanym roztworze na podstawie wzoru:
𝐶 = ∑ 𝐶
𝑛
𝑛
𝑖=1
gdzie:
𝑛 – liczba wyników,
𝐶
𝑛
– n-ty wynik stężenia żelaza(III) w badanym roztworze [μg/cm
3
].
𝐶 = 1,04 𝜇𝑔/𝑐𝑚
3
Obliczono masę żelaza(III) w próbce na podstawie wzoru:
𝑚
𝐹𝑒
3+
=
𝐶 ∙ 𝑉
𝑃
∙ 𝑊
1000
gdzie:
𝑚
𝐹𝑒
3+
– masa Fe
3+
zawarta w badanej próbce [mg],
𝐶 – średnie stężenie Fe
3+
w próbce [μg/cm
3
],
𝑉
𝑃
– objętość próbki [cm
3
],
𝑊 – współmierność kolby i pipety.
𝐶 = 1,04 𝜇𝑔/𝑐𝑚
3
𝑉
𝑃
= 50 𝑐𝑚
3
𝑊 = 4,976
𝑚
𝐹𝑒
3+
= 0,2594 𝑚𝑔
b) Wynik końcowy.
Masa Fe
3+
w badanej próbce: 0,2594 mg.
5. Podsumowanie.
Metoda zastosowana do oznaczenia Fe
3+
jest bardzo czuła – pozwala oznaczyć jego
zawartość w ilościach mikrogramowych. Użyty spektrofotometr ma dobrą czułość, daje
powtarzalne i stabilne wyniki – największa różnica między kolejno zmierzonymi
absorbancjami wynosi 0,003 jednostek absorbancji. Wartość ta, nie przekracza
niepewności kalibracji spektrofotometru, znalezionej na stronie
http://www.perkinelmer.com/CMSResources/Images/4474452BRO_LAMBDAXLSandXLSPl
us.pdf (dostęp: 27.05.13 r.), która wynosi 0,003 jednostek absorbancji dla pomiarów z
zakresu 0 – 0,5 jednostek absorbancji. Kolejno mierzone absorbancje zmniejszają się.
Przyczyną tego zjawiska może być nietrwałość [FeSCN]
2+
. Największy wpływ na wynik
końcowy miało przygotowanie roztworu roboczego. Nieprawidłowe odmierzenie i
rozcieńczenie roztworu podstawowego generuje stały błąd systematyczny. Błąd ten jest
później niemożliwy do skorygowania. Równie ważne było utrzymanie odpowiedniej
czystości użytego sprzętu laboratoryjnego.
Wszystkie obliczenia wykonano za pomocą arkusza kalkulacyjnego Excel.