UNIWERSYTET GDAC
SKI
WYDZIAA
CHEMII
Pracownia studencka
Katedry Analizy Åšrodowiska
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Ćwiczenie nr 5
OZNACZANIE ŚLADOWYCH ILOŚCI JONÓW
OA
OWIU W WODZIE METOD
ATOMOWEJ
SPEKTROSKOPII ABSORPCYJNEJ
Monitoring i ocena środowiska
Gdańsk, 2008
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 2
1. Występowanie metali w środowisku
1.1. Metale w wodach
Wszystkie wody znajdujÄ…ce siÄ™ na powierzchni Ziemi (wody powierzchniowe) tworzÄ…
hydrosferÄ™ o masie ok. 1,35 × 1018 t (z czego 98% to morza i oceany, tylko 2% udziaÅ‚ majÄ… wody
lądowe). Woda hydrosfery to rozcieńczony roztwór ró\
nych 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/dm3).
Wody
Jony
morskie rzeczne
Na+ 10500 7,6
K+ 400 2
Mg2+ 1300 4,5
Ca2+ 400 19,5
Cl- 19000 8,9
SO42- 2700 16,2
HCO3- 140 65,5
Szczególne znaczenie ma zanieczyszczenie wód pierwiastkami śladowymi (Tab. 2).
Zanieczyszczenia te zale\
ą od czynników naturalnych i antropogenicznych, przy czym substancje te
mogą przedostawać się do wód bezpośrednio lub pośrednio.
" Bezpośrednio powierzchniowe wody śródlądowe, morskie wody przybrze\
ne, wody
atmosferyczne, wody glebowe i płytkie wody gruntowe, mogą zostać zanieczyszczone
ściekami przemysłowymi i komunalnymi, ługowaniem ró\
nych 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
powodujÄ… wyraz
ny wzrost stÄ™\
enia pierwiastków śladowych w wodzie, osadach dennych i
organizmach wodnych. Jednak część tych zanieczyszczeń mo\
e 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 Å›ladowych i podrzÄ™dnych pierwiastków w wodach morskich i rzecznych (µ
µg/dm3).
µ
µ
Wody Wody
Pierwiastek Pierwiastek
morskie rzeczne 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 wymagajÄ…ca typowego uzdatniania fizycznego i chemicznego, w
szczególności utleniania wstępnego, koagulacji, flokulacji, dekantacji, filtracji, dezynfekcji
(chlorowania końcowego),
" kategoria A3  woda wymagajÄ…ca 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
rozporzÄ…dzenia Ministra Åšrodowiska z dnia 27 listopada 2002r. (poz. 1728).
Wartości graniczne wskaz
ników jakości wody
Wskaz
niki
A1 A2 A3
Jednostki
L.p.
Zalecane Dopusz- Zalecane Dopusz- Zalecane Dopusz-
miary
jakości wody
czalne
czalne 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 mg/l 25 25 30 35
ogólne
4 Temperatura ºC 22 25*2) 22 25*2) 22 25*2)
5 Przewodność µS/cm 1000 1000 1000 1000 1000 1000
przy 20 ºC
6 Zapach Stopień 3 3 10 10 20 20
rozcieńczen
ia przy 25
ºC
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 Miedz
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
nale\
y 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: rozporzÄ…dzenia Ministra Åšrodowiska z dnia 27 listopada
2002 r. w sprawie wymagań, jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do
zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spo\
ycia).
Granica
L.p. Wskaz
niki Jednostki Precyzja Dokładność Referencyjne metody pomiaru
wykrywalności
jakości wody miary
% wartości wskaz
ników
0,1 0,2 - Potencjometryczna
1 pH -
jednostki jednostki
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
µS/cm -Konduktometryczna
5 Przewodność 5 5 10
przy 20°C
Stopień -Metoda kolejnych rozcieńczeń
6 Zapach rozcieńczenia - - -
przy 25°C
-Spektrometria UV/Vis
7 Azotany mg/l 10 10 20
-Chromatografia jonowa
-Spektrometria UV/Vis
-Potencjometryczna z wykorzystaniem elektrody
8 Fluorki mg/l 10 10 10
jonoselektywnej
-Chromatografia jonowa
9 Cyjanki mg/l 10 10 10 -Spektrometria UV/Vis
-Grawimetryczna
10 Siarczany mg/l 10 10 10 -Potencjometryczna
-Chromatografia jonowa
-Miareczkowa
-Potencjometryczna z wykorzystaniem elektrody
jonoselektywnej
11 Chlorki mg/l 10 10 10
-Chromatografia jonowa
Substancje -Spektrometria UV/Vis
powierzchniowo -Wysokosprawna chromatografia cieczowa-HPLC
12 mg/l 20 20 20
czynne
anionowe
Substancje -Spektrometria UV/Vis
powierzchniowo
13 mg/l 25 25 25
czynne
niejonowe
-Spektrometria UV/Vis
14 Fosforany mg/l 10 10 10
-Atomowa spektrometria emisyjna ze wzbudzeniem w
plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
-Spektrometria UV/Vis
15 Fenole (indeks fenolowy) mg/l 20 20 20
Rozpuszczone -Spektrometria w podczerwieni
16 lub zemulgowane mg/l 20 20 20 -Grawimetryczna
węglowodory
Wielopierścieniowe -Wysokosprawna chromatografia cieczowa-HPLC
17 mg/l 25 25 25
węglowodory aromatyczne -Wysokosprawna chromatografia gazowa GC
-Wysokosprawna chromatografia cieczowa-HPLC
18 Pestycydy ogólne mg/l 25 25 25
-Wysokosprawna chromatografia gazowa GC
Chemiczne -Miareczkowa
19 Zapotrzebowanie mg/l 20 20 20
Tlenu(ChZT)
20 Tlen rozpuszczony mg/l 20 20 20 -Elektrochemiczna
Biochemiczne -Elektrochemiczna
21 Zapotrzebowanie mg/l 20 20 20
Tlenu (BZT5)
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 6
Tab. 4a . Metodyki referencyjne analiz przygotowane na podstawie rozporzÄ…dzenia Ministra Åšrodowiska z dnia
27 listopada 2002r. w sprawie wymagań, jakim powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do
zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spo\
ycia dotyczące pierwiastków śladowych.
L.p.
Wskaz
niki Jednostk Granica Precyzja Dokładność Referencyjne metody pomiaru
jakości i wykrywalności
wody miary % wartości wskaz
ników
-Spektrometria UV/Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacjÄ… w plazmie indukcyjnie
1 śelazo mg/l 10 10 10
sprzÄ™\
onej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
-Spektrometria UV-Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacjÄ… w plazmie indukcyjnie
2 Mangan mg/l 105 10 10
sprzÄ™\
onej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
-Spektrometria UV-Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacjÄ… w plazmie indukcyjnie
3 Miedz
mg/l 20 20 20 sprzÄ™\
onej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
-Polarografia
-Spektrometria UV-Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacjÄ… w plazmie indukcyjnie
4 Cynk mg/l 10 10 10 sprzÄ™\
onej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
5 Bor mg/l 10 10 10
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacjÄ… w plazmie indukcyjnie
sprzÄ™\
onej-ICP-MS
6 Nikiel mg/l 10 10 10
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
-Polarografia
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacjÄ… w plazmie indukcyjnie
7 Wanad mg/l 10 10 10 sprzÄ™\
onej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
-Spektrometria UV/Vis
8 Arsen mg/l 10 10 10
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria UV-Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacjÄ… w plazmie indukcyjnie
9 Kadm mg/l 10 10 10 sprzÄ™\
onej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
-Polarografia
-Spektrometria UV-Vi
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
Chrom -Spektrometria masowa z jonizacjÄ… w plazmie indukcyjnie
10 mg/l 105 10 10
ogólny sprzę\
onej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
-Spektrometria UV-Vi
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacjÄ… w plazmie indukcyjnie
11 Chrom+6 mg/l 25 25 25
sprzÄ™\
onej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
-Spektrometria UV-Vis
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacjÄ… w plazmie indukcyjnie
12 Ołów mg/l 10 10 10 sprzę\
onej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
-Polarografia
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 7
13 Selen mg/l 105 10 10 -Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna w połączeniu z
metodÄ… zimnych par CV-AAS
14 Rtęć mg/l 10 10 10
-Atomowa Spektrometria Fluorescencyjna w połączeniu z
metodÄ… zimnych par  CV-AFS
-Atomowa Spektrometria Absorpcyjna-AAS
-Spektrometria masowa z jonizacjÄ… w plazmie indukcyjnie
15 Bar mg/l 20 20 20 sprzÄ™\
onej-ICP-MS
-Atomowa spektrometria emisyjna ze
wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzÄ™\
onej ICP-AES
1.1.1. y
ródła zanieczyszczeń wód metalami cię\
kimi
Kadm. Kadm przedostaje się do zbiorników wodnych w transporcie rzecznym, z opadem pyłów
atmosferycznych, jednak w wodach morskich jest go mniej ni\
w rzekach. Jako naturalną zawartość
kadmu przyjmuje siÄ™ 0,02 µg/dm3, ilość ta jest obecnie znacznie przekroczona. Kadm przedostaje
się równie\
do wód gruntowych i podziemnych z gleb. W osadach rzek i zbiorników wodnych
podlega szybkiemu związaniu, w którym biorą udział równie\
bakterie, wytrÄ…cajÄ…c go w postaci
siarczków. Istnieje ryzyko wprowadzenia kadmu w łańcuch \
ywieniowy w przypadkach odławiania
ryb ze zbiorników zanieczyszczonych, poniewa\
roślinność wodna jak i organizmy zwierzęce
pobierają kadm proporcjonalnie do występowania. Dopuszczalne stę\
enie Cd w wodach pitnych
ustalono na 5 µg/dm3.
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 du\
ym rozproszeniu. Jego średnie stę\
enie w morzach i oceanach
ustalono na 0,005 µg/dm3, w rzekach na 0,01 µg/dm3. ZwiÄ…zki rtÄ™ci w wodach zale\
ą od warunków
utleniająco-redukcyjnych. I tak kolejno: w wodach o właściwościach utleniających przewa\
ajÄ…
HgCl42-; HgOH+, w redukcyjnych CH3HgS-; HgS2-, w wodach o warunkach zmiennych natomiast
CH3HgCl; CH3Hg2+. 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, \
e: dla wód
morskich 0,01-0,06 µg/dm3; dla rzecznych 0,2 µg/dm3, natomiast dopuszczalne stÄ™\
enie Pb w
wodzie pitnej w wiÄ™kszoÅ›ci krajów wynosi 50 µg/dm3. Zawartość Pb w osadach dennych jest
wskaz
nikiem zanieczyszczenia wód powierzchniowych. Dobrymi wskaz
nikami ska\
eń 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 ró\
nych typach gleb Polski.
Tab. 5. Zawartość wybranych pierwiastków śladowych w glebach polskich (ppm).
Gleby
Gleby piaszczyste Gleby organiczne
pyłowe i gliniaste
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 ciÄ™\
kimi. Pod pojęciem metale cię\
kie rozumiemy pierwiastki o
gęstości powy\
ej 4,5 g/cm3, występujące naturalnie w skorupie ziemskiej, uwalniane ze skał
macierzystych w procesach glebotwórczych. Niektóre z nich są niezbędne do prawidłowego
funkcjonowania organizmów \
ywych (na przykład miedz
, cynk), inne  jak kadm czy ołów  są
zbyteczne lub ich funkcja biologiczna nie jest jeszcze poznana. W przypadku zbyt du\
ego
nagromadzenia w organizmie człowieka metale cię\
kie mogą przyczynić się do wystąpienia wielu
chorób, w tym nowotworów.
Główne z
ródło zanieczyszczenia gleb metalami to przemysł i energetyka (poprzez
zanieczyszczenia atmosfery i składowanie odpadów). Niebagatelny wpływ na gleby ma równie\

transport samochodowy, zanieczyszczając je wzdłu\
ciągów komunikacyjnych.
Na rozpuszczalność i ruchliwość metali obecnych w glebie, a tym samym ich
bioprzyswajalność wpływają w du\
ym stopniu właściwości danej gleby. Do najwa\
niejszych nale\
y
pojemność kompleksu sorpcyjnego, uzale\
niona od zawartości próchnicy, minerałów ilastych oraz
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 9
tlenków \
elaza, glinu i manganu. Przy tym samym stopniu ska\
enia w glebach lekkich więcej metali
pozostaje w formie rozpuszczalnej  łatwo pobieranej przez rośliny. Gleby cię\
kie silniej wiÄ…\
Ä…
metale w pojemnym kompleksie sorpcyjnym, co ogranicza dostępność tych składników dla roślin.
Do metali ciÄ™\
kich silnie wiązanych w glebach, a tym samym słabo rozpuszczalnych nale\
Ä…: Pb,
Hg, Cr i Cu. Istotnym czynnikiem jest równie\
odczyn gleby. Rośliny łatwiej pobierają pierwiastki z
gleb kwaśnych. Przy pH powy\
ej 6,5 zdecydowanie zmniejsza się ilość łatwo rozpuszczalnych form
metali ciÄ™\
kich 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 du\
ych ilości SO2 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 cię\
kich uprzednio zwiÄ…zanych w kompleksach
sorpcyjnych.
1.2.1. Występowanie metali cię\
kich w glebie
Kadm. W glebach o pH 4,5-5,5 kadm jest bardzo mobilny, a przy wy\
szych wartościach ulega
unieruchomieniu, tworząc głównie węglany. W miarę wzrostu alkaliczności gleb spada jego
sorpcja. Istotnym z
ródłem 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 równie\
częściowo do form
organicznych. Du\
e ilości kadmu do gleb wprowadzane są tak\
e wraz z odpadami komunalnymi.
Du\
a mobilność kadmu we wszystkich typach gleb jest przyczyną jego szybkiego włączania do
łańcucha pokarmowego.
Rtęć. Rozmieszczenie związków rtęci w glebach jest uzale\
nione głównie od warunków
oksydacyjno-redukcyjnych. W glebach o przewadze warunków utleniających dominują formy Hg2+,
Hg22+, zaś w glebach o warunkach redukcyjnych występują głównie związki z siarką HgS, HgS22-,
CH3HgS-, zaś w glebach o warunkach przejściowych najczęstsze są alkilowe związki rtęci. Proces
migracji rtęci z gleb jest ograniczony, pomimo lotności par, poniewa\
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,
ka\
da jej forma mo\
e stać się przyswajalna dla roślin.
Ołów. Ołów jest zwykle mało ruchliwy w warunkach glebowych. Rzadko występuje w
roztworze w postaci kationu Pb2+, tworzy natomiast jony kompleksowe, jak np. PbOH+ i
Pb(OH)42+, 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 Pb2+,
PbHCO3+ oraz kompleksy organiczne.
W Tab. 6 przedstawiono dopuszczalne wartości stę\
eń (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; je\
eli utrzymanie aktualnego poziomu zanieczyszczenia
gruntów nie stwarza zagro\
enia dla zdrowia ludzi lub środowiska  dla obszarów tych
stÄ™\
enia zachowujÄ… standardy wynikajÄ…ce ze stanu faktycznego,
" grupa B  grunty zaliczone do u\
ytków rolnych z wyłączeniem gruntów pod stawami i
gruntów pod rowami, grunty leśne oraz zadrzewione, nieu\
ytki, a tak\
e grunty zabudowane i
zurbanizowane z wyłączeniem terenów przemysłowych, u\
ytków kopalnych oraz terenów
komunikacyjnych,
" grupa C  tereny przemysłowe, u\
ytki 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 stę\
eń metali cię\
kich dla gleb z trzech obszarów sozologicznych: A, B, C dla
ró\
nej głębokości i wodoprzepuszczalności.
Grupa B Grupa C
Głębokość (m ppt)
0-0,3 0,3-15,0 >15 0-2 2-15
L.p. Zanieczyszczenie Grupa A
Wodoprzepuszczalność gruntów (m/s)
do poni\
ej do poni\
ej do poni\
ej
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 Miedz
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 \
ywności
W takich dziedzinach jak chemia środowiska, medycyna, ochrona zdrowia czy nauka o
\
ywieniu wa\
ne są właściwości chemiczne, toksykologiczne, biologiczne danego pierwiastka, które
to w du\
ym stopniu zale\
ą od formy w jakiej ten pierwiastek występuje. Forma chemiczna
pierwiastka została zdefiniowana przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej
(IUPAC), jako specyficzna i unikalna czÄ…steczkowa, elektronowa lub jÄ…drowa struktura pierwiastka,
przy czym mo\
na 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 mo\
na wymienić tu: wymianę kationową przez błony komórkowe, transport wewnątrzkomórkowy
oraz procesy ryzosfery (strefy korzeniowej). Nale\
y podkreślić, \
e ró\
ne substancje (cukry, kwasy
organiczne i aminokwasy) są nie bez znaczenia podczas pobierania składników pokarmowych.
Organizmy \
ywe mogą metabolizować metaloidy typu arsen czy selen, prowadząc do powstania
wiązania kowalencyjnego pomiędzy heteroatomem a węglem innej, większej struktury. Kontrola
równowagi wa\
nych pierwiastków, oraz sposób  radzenia sobie z obcią\
eniem 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 \
yć i rozmna\
ać się w środowisku bogatym w metale. Mo\
na
tu wspomnieć o wykorzystaniu kwasów organicznych (szczawiowy, malonowy, cytrynowy) oraz
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 12
aktywacji enzymów-przeciwutleniaczy. Tolerancja metali cię\
kich oraz ich akumulacja w roślinach
następuje poprzez wydzielanie peptydów i protein wią\
Ä…cych te metale.
Podstawowe czynniki wpływające na przyswajalność pierwiastków przez rośliny:
" stÄ™\
enie 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 równie\
przedostawać się bezpośrednio z gleb do organizmów zwierzęcych
poprzez wdychanie pyłu glebowego lub spo\
ywanie go przez zanieczyszczenie pasz i roślin.
Pierwiastki śladowe występujące w glebach podlegają włączeniu w łańcuch \
ywieniowy najczęściej
w ilościach proporcjonalnych do ich stę\
enia w glebach.
Pierwiastki śladowe są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu człowieka, ale
tylko jeśli występują w odpowiedniej ilości. Prawidłowa dieta człowieka, składająca się z \
ywności
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. Nale\
y dodać, \
e niezbędne dla człowieka i
zwierzÄ…t sÄ…: As, B, Br, Cl, Cr, Co, Cu, F, Fe, I, Li, Mn, Mo, Ni, Se, Si, Sn, V, Zn. Znaczenie majÄ…
równie\
, lecz w ilościach ng/kg, Ba, Cd, Pb, Rb, Ti.
Szkodliwość pierwiastków zanieczyszczających środowisko zale\
y od: podatności na
bioakumulację; koncentracji w biolitach w wyniku procesów geologicznych; absorpcji z przewodu
pokarmowego (Hg, Cd, I, Zn, B); przenikania przez Å‚o\
ysko do zarodka; przenikania przez barierÄ™
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
\
ywieniowych, w tym spo\
ywanie produktów przetworzonych technologicznie, oraz zró\
nicowanie
proporcji składników w po\
ywieniu. Obieg pierwiastków ska\
ających środowiska w przyrodzie,
prowadzi do włączania ich do łańcucha pokarmowego. Mogą one podlegać biologicznej akumulacji,
a następnie spo\
yciu przez człowieka w ró\
nych produktach roślinnych i zwierzęcych.
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 13
1.3.1. Występowanie metali cię\
kich w \
ywności
Kadm. Pierwiastek ten jest łatwo pobierany przez rośliny, głównie przez system korzeniowy i
liście, w postaci jonu Cd2+; 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. A
atwość
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 świe\
ej masy. Kadm mo\
e 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, poniewa\
mo\
e przedostać się do
\
ywności. Zakres najczęstszy w warzywach i owocach to 5-30 ppb. Niebezpieczna jest organiczna
rtęć  dimetylortęć. Za przedostawanie się związków rtęci do środowiska odpowiada u\
ywanie
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 przera\
ające. Na przykład 25 mg CH3Hg+ 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 zale\
y 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. y
ródłem 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 świe\
ej masy. Rośliny wytworzyły du\
ą tolerancję na ołów, a szczególnie te, które
pochodzą ze środowisk zanieczyszczonych. Ołów występuje we wszystkich tkankach zwierząt, w
organizmach morskich jest go znacznie więcej ni\
w ssakach lądowych, u których koncentruje się
głównie w kościach (4-25 ppm). Zwierzyna łowna postrzelona śrutem ołowiowym mo\
e zawierać
zwiększone ilości metalu. Głównym z
ródłem ołowiu w po\
ywieniu sÄ… produkty zbo\
owe i ziemniaki.
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 14
W Tab. 7 przedstawiono najwy\
sze dopuszczalne poziomy stÄ™\
eń metali cię\
kich w
środkach spo\
ywczych zgodnie z Rozporządzeniem Komisji Wspólnot Europejskich Nr 466/2002 z
dnia 8 marca 2001 roku.
Tab. 7. Najwy\
sze dopuszczalne stÄ™\
enia metali ciÄ™\
kich w środkach spo\
ywczych.
Najwy\
szy dopuszczalny
Produkt poziom (mg/kg świe\
ego
produktu)
1. Ołów
1.1. Mleko krowie (mleko surowe, mleko do wytwarzania produktów mleczarskich i mleko 0,02
poddane obróbce cieplnej)
1.2 Preparaty dla niemowlÄ…t i mleko dla niemowlÄ…t 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
0,4
cofali, amareli, głowaczy, sardynek
1.5 Skorupiaki, z wyjątkiem ciemnego mięsa krabów 0,5
1.6 Mał\
e dwupłatkowe 1,0
1.7 Głowonogi (bez wnętrzności) 1,0
1.8 Zbo\
a (włącznie z gryką), rośliny strączkowe i nasiona jadalne roślin strączkowych 0,2
1.9 Warzywa, z wyjątkiem zapustnych, warzyw liściastych, świe\
ych ziół oraz wszystkich
0,1
grzybów
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 spo\
ycia) i nektary
0,05
owocowe
1.13 Wina (włącznie z winami musującymi i wyłączając wina likierowe), wina
aromatyzowane, aromatyzowane napoje na bazie wina i aromatyzowane koktajle winne 0,2
oraz jabłeczniki, wino z gruszek i wina owocowe
2. Kadm
0,05
2.1 Wołowina, mięso baranie, wieprzowina i mięso drobiowe, z wyjątkiem podrobów
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,
0,1
szarych cofali, amareli, sardynek
2.6 Skorupiaki , z wyjątkiem ciemnego mięsa krabów 0,5
2.7 Mał\
e dwupłatkowe 1,0
2.8 Głowonogi (bez wnętrzności) 1,0
2.9 Zbo\
a, z wyjątkiem otrąb, kiełków, ziarna pszenicy i ry\
u 0,1
2.9.1 Otręby, kiełki, ziarno pszenicy i ry\
0,2
2.10 Soja 0,2
2.11 Warzywa i owoce, z wyjątkiem warzyw liściastych, świe\
ych ziół, wszystkich
0,05
grzybów, warzyw łodygowych, warzyw korzeniowych i ziemniaków
2.11.1 Warzywa liściaste, świe\
e zioła, seler korzeniowy i wszystkie grzyby uprawne 0,2
2.11.2 Warzywa Å‚odygowe, warzywa korzeniowe i ziemniaki, z wyjÄ…tkiem selera
0,1
korzeniowego.
3 Rtęć
0,5
3.1 Produkty rybołówstwa, z wyjątkiem wymienionych w pkt. 3.1.1
3.1.1 śabnica, zębacz pasiasty, okoń, błękitek, pelamida, węgorz, halibut, tuńczyk, merlin,
szczupak, bonito, koleń portugalski, raje, karmazyn pospolity, \
aglica, pałasz, rekin, 1,0
makrela wÄ™\
owa, jesiotr, włócznik
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 15
Kryteria pobierania próbek oraz warunki metod analiz \
ywności pod kątem zawartości
metali określa Dyrektywa 2001/22/WE z póz
niejszymi zmianami. Dyrektywa nie określa
zalecanych metod ustalania zawartości metali w \
ywności. Laboratoria muszą stosować
zatwierdzoną metodę, która spełnia wymagane kryteria, takie jak: granica wykrywalności, granica
oznaczalności ilościowej, precyzja (na poziomie poni\
ej 1,5), odzysk (80-120%), specyficzność
metody.
2. Przygotowanie próbek środowiskowych do oznaczania pierwiastków
śladowych
Próbki gleby oraz \
ywności (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: CO2, H2O, NH3 i inne. W glebach, w procesach mineralizacji udział
biorą najczęściej organizmy \
ywe (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, mo\
na oprócz otrzymania związków mineralnych, przeprowadzić
ilościowo składniki próbki do roztworu. Do najwa\
niejszych sposobów mineralizacji zaliczamy
mineralizacjÄ™ na mokro oraz mineralizacjÄ™ na sucho.
" Mineralizacja na mokro  w tej technice u\
ywa się mieszaniny jednego lub kilku kwasów
mineralnych (najczęściej: HNO3, H2SO4, HClO4) oraz związku o właściwościach
utleniających (np. H2O2). W przypadku tej techniki oprócz u\
ycia mieszaniny kwasów
mo\
na wspomagać proces mineralizacji poprzez:
zastosowanie podwy\
szonej temperatury,
wykorzystanie promieniowania UV,
z wykorzystaniem Å‚az
ni ultradz
więkowej,
u\
ycie energii mikrofalowej,
mineralizacja ciśnieniowa.
" Mineralizacja na sucho  w tej grupie technik mo\
na wyró\
nić:
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 nale\
y przeprowadzić je z postaci hydrofilowych w
hydrofobowe. W tym celu czÄ…steczki wody ze sfery koordynacyjnej metalu w akwakompleksie
nale\
y 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 mo\
na podzielić na 3 grupy:
" ekstrakcja niejonowych czÄ…steczek kowalencyjnych (AsCl3, OsO4, HgCl2, BiI3, GeCl4),
" 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, poniewa\
bezpośrednie oznaczanie większości metali śladowych w
wielu przypadkach jest niemo\
liwe ze względu na zbyt małe stę\
enie tych metali i niedostatecznÄ…
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 stę\
enia na poszczególnych etapach ekstrakcji do wyniku
oznaczenia ogólnego. I tak np., w celu wydzielenia mo\
liwie wielu metali z wody ekstrahuje siÄ™
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 przechodzÄ… 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 zwiÄ…zki chemiczne czy same
pierwiastki mogą występować w ró\
nych formach fizycznych, czy w ró\
nych układach
chemicznych, stosuje siÄ™ ekstrakcjÄ™ sekwencyjnÄ… przedstawionÄ… w Tab. 8.
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 17
Tab. 8. Przykłady ekstrakcji sekwencyjnych
Frakcja Ekstrahent
Wymienna NH4Ac
Węglany NaOAc/AcOH
Tlenki manganu NH2OH x HCl/HNO3
Tlenki \
elaza (amorficzne) Bufor szczawianowy
Siarczany (VI) i materia organiczna H2O2/HNO3/NH4Ac
Pozostałość HNO3
Wymienna Mg(NO3)2
Materia organiczna NaOCl
Tlenki manganu NH2OH x HCl/ NH4Ac
Tlenki \
elaza (krystaliczne) Kwas askorbinowy/ bufor szczawianowy
Pozostałość HCl/ HF/ HNO3
W praktyce wy\
ej wymienione techniki ekstrakcyjne mo\
na wspomagać poprzez:
" zastosowanie Å‚az
ni ultradz
więkowej,
" podwy\
szonego ciśnienia i temperatury  tzw. ekstrakcja przyspieszona,
" przy u\
yciu 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 mo\
e absorbować promieniowanie elektromagnetyczne. Atom pierwiastka w stanie
podstawowym (o energii Ep) absorbuje foton promieniowania (energia h½ ), co powoduje zmianÄ™
rozkładu elektronów w atomie, przeprowadzając go w stan o wy\
szej energii (Ep + h½), czyli stan
wzbudzony. Atomy mogą istnieć tylko w określonych stanach energetycznych opisywanych
funkcjami falowymi stanowiÄ…cymi rozwiÄ…zania 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 ró\
nić wartością przynajmniej
jednej liczby kwantowej.
W stanie podstawowym atomu (w temp. ok. 20ºC) elektrony zapeÅ‚niajÄ… kolejno poziomy
energetyczne wg wzrastajÄ…cej energii. KonfiguracjÄ™ elektronowÄ… np. atomu magnezu mo\
na
przedstawić w następujący sposób: Mg: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2. Elektron walencyjny mo\
e zostać
12
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 18
przeniesiony z poziomu podstawowego (dla magnezu to poziom 3s) na poziom wzbudzony (np. 3p).
Ró\
nica energii między poziomem podstawowym a wzbudzonym ("E) równa się:
"E = ( Ep + h½ ) - Ep = h½ = h c/ (1)
gdzie: Ep - energia atomu w stanie podstawowym (lub ni\
szym stanie wzbudzonym),
h - staÅ‚a Plancka (6,626 . 10-34 J . s), ½ - czÄ™stość promieniowania elektromagnetycz-
nego [s-1], c - prędkość rozchodzenia się światła w pró\
ni (3,00 . 108 m . s-1 ),
 - długość fali promieniowania elektromagnetycznego [m].
Poniewa\
poziomy energetyczne mogą przyjmować tylko pewne ściśle określone wartości, więc i
ró\
nice energii między nimi nie są dowolne  oznacza to, \
e tylko promieniowanie o określonej
energii czyli o określonej długości fali mo\
e 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
zwiÄ…zane z przejÅ›ciami 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, \
e atom magnezu mo\
e 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, \
e atom mo\
e absorbować promieniowanie elektromagnetyczne tylko o
takiej długości fali, przy której mo\
e je emitować i jest ono charakterystyczne dla danego
pierwiastka. Zjawisko to jest podstawą analizy jakościowej metodą atomowej spektrometrii
absorpcyjnej. Dzięki temu mo\
liwe jest oznaczanie wielu pierwiastków zawartych w próbce w
sposób niezale\
ny od siebie (metoda jest bardzo selektywna).
Przejściom elektronów pomiędzy ró\
nymi poziomami energetycznymi odpowiadają ró\
ne
częstotliwości promieniowania, których zbiór stanowi charakterystyczne dla danego pierwiastka
widmo atomowe (widmo liniowe). Do celów analitycznych nale\
y dokonać wyboru jednej z wielu
ró\
nych linii absorpcyjnych. W metodzie ASA wykorzystuje się zwykle linię związaną z przejściem
elektronu walencyjnego ze stanu podstawowego na pierwszy (najni\
szy poziom wzbudzony) i
nazywa siÄ™ jÄ… liniÄ… rezonansowÄ…, zaÅ› najni\
szy stan wzbudzony  stanem rezonansowym.
Miarą intensywności zjawiska absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez wolne
atomy jest absorbancja (A) określana jako
A = lg I0/I (2)
gdzie: I0  natÄ™\
enie wiÄ…zki promieniowania padajÄ…cego, I  natÄ™\
enie wiÄ…zki
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.
Zale\
ność tą opisuje Prawo Lamberta-Beera definiowane następującym wzorem:
A = µ · b · N (3)
gdzie: µ - 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 mo\
na zamienić na proporcjonalnie z nią związane stę\
enie
atomów (c) w próbce, co w stałych warunkach pomiaru dla określonej długości fali daje liniową
zale\
ność:
A = a · c (4)
gdzie: a  współczynnik proporcjonalności.
Prawo Lamberta-Beera jest spełnione dla małych stę\
eń, przy których nie mają jeszcze
znaczącego wpływu efekty związane z obecnością zbyt du\
ej ilości wolnych atomów na drodze
optycznej promieniowania (np. samoabsorpcja).
Drugim warunkiem granicznym spełnienia prawa Lamberta-Beera jest stosowanie
promieniowania monochromatycznego (zale\
ność współczynnika absorpcji zale\
y od długości fali).
W przypadku absorpcyjnej spektrometrii atomowej konieczna jest, ze względu na wąskie linie
absorpcyjne, znacznie większa monochromatyczność ni\
w przypadku spektrofotometrii czÄ…steczek.
Pierwiastki metaliczne występują z reguły w postaci związków organicznych lub
nieorganicznych, zatem do wywołania zjawiska absorpcji nale\
y 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 siÄ™ plazmy niskotemperaturowe (temperatura od 1000 K do 4000 K uzyskiwana w
płomieniu i kuwetach grafitowych), większość atomów znajduje się w stanie podstawowym,
niezale\
nie od tego czy pierwiastek wzbudza się łatwo (np. sód), czy trudno (np. cynk).
Zasada pomiarów metodą AAS polega na tym, \
e linia rezonansowa oznaczanego
pierwiastka o natÄ™\
eniu I0, emitowana ze z
ródła 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 natę\
enie (I). Porównanie I i I0 daje absorbancję (wzór 2)
proporcjonalnÄ… do stÄ™\
enia 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 z
ródła promieniowania powinna być zdecydowanie mniejsza ni\
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 (mo\
liwość
nakładania się linii spektralnych innych pierwiastków). Uzyskuje się to przez zastosowanie wy\
szej
temperatury w atomizerze od temperatury w lampie emitujÄ…cej.
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 - z
ródło
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 z
ródła jest dzielone na dwie wiązki, wiązkę przechodzącą przez
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 23
atomizer i wiÄ…zkÄ™ odniesienia omijajÄ…cÄ… atomizer. Obie wiÄ…zki przechodzÄ… 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 z
ródła w czasie
trwania pomiaru lub zmian czułości detektora.
3.2.1. y
ródła promieniowania
y
ródła promieniowania stosowane w metodzie AAS muszą się charakteryzować du\
Ä…
monochromatycznością promieniowania o częstotliwości zgodnej z częstotliwością rezonansową
oznaczanego pierwiastka. Promieniowanie emitowane przez z
ródło powinno odznaczać się du\
ym
natÄ™\
eniem i stabilnością. W praktyce, w metodzie AAS stosuje się lampy z katodą wnękową lub
wzbudzane wysoką częstotliwością (bądz
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,
katodÄ™ stanowi wydrÄ…\
ony 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 przyło\
one dostatecznie du\
e napięcie (rzędu kilkuset wolt), gaz
wypełniający lampę zostanie zjonizowany. Dodatnie jony gazu, bombardując katodę wybijają, z niej
atomy metalu. Atomy metalu w stanie gazowym ulegajÄ… wzbudzeniu i emitujÄ… promieniowanie,
które składa się z linii charakterystycznych dla atomów metalu, jonów metalu i gazu szlachetnego.
NatÄ™\
enie promieniowania mo\
na zmieniać regulując natę\
enie prądu płynącego w lampie.
OdpowiedniÄ… liniÄ™ mo\
na wyodrębnić z niezbyt skomplikowanego widma za pomocą prostych
monochromatorów. Lampą z katodą wnękową mo\
na oznaczać tylko jeden pierwiastek, ten z
którego została wykonana katoda. Produkuje się te\
lampy kilkupierwiastkowe, ale nie znajdujÄ… one
szerszego zastosowania, głównie z powodu małego natę\
enia wycinanej wiÄ…zki 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 wysokÄ…
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 charakteryzujÄ… siÄ™ dobrymi parametrami (natÄ™\
enie linii i szerokość
połówkowa) i są bardzo trwałe. Produkuje się je głównie dla pierwiastków, dla których nie mo\
na
zbudować lamp HCL - Sb, As, Se, Te, P, Hg, Bi, Cs, Ge, K, Rb, Tl.
3.2.2. Atomizery
Zadaniem atomizerów jest otrzymywanie z du\
ą, 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 stę\
eniem oznaczanej substancji w próbce a
stÄ™\
eniem atomów w plazmie absorpcyjnej. Wytworzone atomy powinny w jak najmniejszym
stopniu ulegać wzbudzeniu i jonizacji.
Atomizacja próbki wymaga doprowadzenia energii, co realizowane jest ró\
nymi 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 Å‚uku prÄ…du
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 z
ródło. 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
poni\
ej 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
u\
yciem gazu utleniajÄ…cego tlenku azotu (I).
Analizowana próbka mo\
e 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 uzale\
niona jest od temperatury płomienia. Ilość wolnych atomów
rośnie wykładniczo ze wzrostem temperatury.
Inne reakcje, takie jak jonizacja, wzbudzenie i synteza sÄ… procesami niekorzystnymi,
poniewa\
zmniejszają ilość wolnych atomów w stanie podstawowym a zatem i czułość metody.
"!
" Reakcja jonizacji M M+ + e
"!
" Rekcje syntezy M + O MO
"!
M + H2O MO + H2
"!
M + OH MOH
MO + CO2 "! MCO3
" Reakcje wzbudzenia M "! M*
"!
MA (MA)*
MO "! (MO)*
MOH "! (MOH)*
MCO3 "! (MCO3)*
W układach zło\
onych zachodzą w płomieniu dodatkowe reakcje syntezy dające trwałe sole np. z
halogenkami (AlF3), z kwasami tlenowymi (CaSO4, Ca3(PO4)2 lub reakcje tworzenia podwójnych
tlenków metali (MgAl2O4, CaTiO3). 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 sÄ… m.in. mo\
liwość oddzielenia pierwiastka od
składników matrycy, warunki sprzyjające atomizacji trwałych termicznie tlenków oraz całkowita,
jednorazowa atomizacja wprowadzonej próbki z du\
ą 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 siÄ™ 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 ulegajÄ… rozpadowi na wolne atomy i gazowy wodór
(atomizacja).
Atomizery wykorzystujące zimne pary rtęci. Stę\
enie par rtęci powietrzu w temperaturze 300 K
mo\
e wynosić ok. 20 ng/cm3 i jest to wystarczające stę\
enie do oznaczenia rtęci metodą AAS. Rtęć
w postaci jonów Hg2+ w roztworach mo\
na zredukować za pomocą Sn2+ i wolną rtęć wypłukać z
mieszaniny reakcyjnej argonem. Rtęć w gazach mo\
na zatÄ™\
yć na wacie złotej; z podgrzanego do
700 -800 K amalgamatu rtęć ulega desorpcji i mo\
e być przeniesiona do kuwety pomiarowej w
strumieniu argonu. Kuweta pomiarowa (absorpcyjna) to ogrzewana rurka szklana z okienkami
kwarcowymi znajdujÄ…ca siÄ™ 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 (z
ródła
promieniowania liniowego). Monochromatory działają na zasadzie siatki dyfrakcyjnej naciętej na
powierzchni zwierciadła, które jest umieszczone na obrotowym uchwycie, umo\
liwiajÄ…cym
kierowanie na szczelinę przepuszczającą do detektora ró\
ne 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, \
e foton
pada na katodę, wybija z niej elektrony, które trafiają na dynodę. Ka\
dy 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 sÄ… komputery umo\
liwiające 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)
mo\
na 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 zło\
onych linia rezonansowa oznaczanego pierwiastka mo\
e nakładać się z
liniami spektralnymi innych pierwiastków. Przykłady nakładania się linii spektralnych wybranych
pierwiastków przedstawiono w Tab. 9. Interferencje wywołane nakładaniem się linii mo\
na
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 Długość fali Pierwiastek Długość fali
pierwiastek  [nm] przeszkadzajÄ…cy  [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 mo\
e być pozornie zmniejszona przez
emisję promieniowania przez wzbudzone w atomizerze atomy, cząsteczki czy cząstki ciał stałych.
Du\
e cząstki plazmy termicznej mogą rozpraszać promieniowanie, przez co pozornie zwiększać
absorpcjÄ™. Mo\
na temu zapobiec, zwiększając efektywność nebulizacji poprzez zmniejszenie
rozmiaru kropel. Procesy emisji, absorpcji i rozpraszania promieniowania przez składniki plazmy
nie będące agalitem, mo\
na wyeliminować aparaturowo poprzez tzw. korektę tła.
Innym typem zakłóceń są interferencje chemiczne, przewa\
nie specyficzne dla
poszczególnych pierwiastków. Nazywa się je często efektami matrycowymi, gdy\
powodowane sÄ…
składnikami matrycy. Składniki matrycy mogą powodować inną lepkość i napięcie powierzchniowe
roztworu próbki ni\
roztworów wzorcowych a tym samym ró\
ną wydajność nebulizacji. Problemy
takie występują zwłaszcza przy badaniu płynów fizjologicznych i olejów mineralnych. Lepkość i
napięcie powierzchniowe mo\
na zmniejszyć przez dodatek substancji powierzchniowo-czynnych i
rozpuszczalników organicznych.
Innym problemem jest wpływ składu matrycy na tworzenie związków analizowanego
pierwiastka ró\
niących się lotnością i trwałością termiczną, wpływ na stopień dysocjacji termicznej
lub mo\
liwość jonizacji.
Opracowano kilka sposobów eliminacji zakłóceń chemicznych:
" zastosowanie płomienia redukującego nie dopuszcza do powstania tlenków lub powoduje
ich redukcjÄ™: MO + C = M + CO,
" zastosowanie płomienia o wy\
szej temperaturze (tlenek azotu (I)-acetylen) umo\
liwiajÄ…cego
dysocjację termiczną, która nie zachodzi w płomieniu powietrze-acetylen, np. wapń w
obecności glinu daje trwały związek CaAl2O4 w płomieniu powietrze-acetylen, natomiast
dysocjuje on w płomieniu tlenku azotu (I),
" dodanie do roztworu analizowanego odczynnika korygujÄ…cego, powodujÄ…cego uwolnienie
pierwiastka z trudno dysocjujÄ…cego zwiÄ…zku,
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 30
" dodanie do roztworu analizowanego odczynnika dejonizujÄ…cego (buforu), zmniejszajÄ…cego
jonizację oznaczanych atomów,
" dodatnie do roztworu analizowanego buforu nasycajÄ…cego, tj. roztworu pierwiastka
zakłócającego o takim stę\
eniu, przy którym jego wpływ na absorbancję pierwiastka
oznaczanego jest stały.
3.4. Mo\
liwości zastosowań AAS
" MetodÄ… AAS mo\
na oznaczać około 70 pierwiastków. Problematyczne jest oznaczanie niemetali.
" AAS jest typowÄ… metodÄ… 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 stę\
eń odpowiada w przybli\
eniu jednemu rzędowi wielkości. W przypadku
mo\
liwości pomiaru bardzo małych absorbancji zakres ten mo\
e objąć 2  3 rzędy wielkości.
" AAS jest metodą względną. Do wyznaczenia stę\
enia wykorzystuje siÄ™ 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 technikÄ… stosowanÄ… 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 Granica detekcji F-AAS Granica detekcji
 [nm] (etyn powietrze) ET AAS
ppb [µg/dm3] ppb [µg/dm3]
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
zale\
ność absorbancji od stę\
enia analizowanego pierwiastka w próbce. Oznaczenie prowadzi się
dwiema metodami: metodÄ… krzywej wzorcowej (krzywej kalibracyjnej) i metodÄ… dodatku wzorca.
3.5.1. Metoda krzywej kalibracyjnej
W procesie pomiaru próbka poddawana jest ró\
nym 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 stę\
enia
substancji analizowanej. Aby uzyskać dokładne wyniki ilościowe, wymagana jest kalibracja
względem znanych wzorców. Porównywanie z wzorcami mo\
na przeprowadzić najczęściej
następującymi metodami:
" metodÄ… krzywej kalibracyjnej,
" metodÄ… dodawania wzorca,
" metodą wzorca wewnętrznego.
(Dwie ostatnie metody przedstawione są w instrukcjach do ćwiczeń 1 i 3.)
W przewa\
ającej części metod detekcji mierzony parametr jest funkcją liniową stę\
enia
analitu;
Y = ac + b,
gdzie: Y - wielkość mierzona, c  stę\
enie analitu, a  współczynnik proporcjonalności,
a = BC/AB = tg ą, b  wartość stała, jest często wartością eksperymentalną ślepej
próby.
którą mo\
na 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 jednostkÄ™ stÄ™\
enia c, tym większa jego wartość i tym wy\
sza czułość metody. Metody o małym
kącie nachylenia krzywych kalibracyjnych nie są przydatne do celów analitycznych. Parametr b
mo\
e przyjmować wartości dodatnie, ujemne lub zero.
W metodzie krzywej kalibracyjnej przygotowuje się szereg roztworów o znanych stę\
eniach
substancji analizowanych oraz tzw. ślepą próbę  roztwór, w którym są wszystkie składniki
roztworów wzorcowych z wyjątkiem analitu i dla ka\
dego roztworu mierzy się wartość Y.
Zale\
ność Y od c wzorców wykreśla się (Rys. 10b) lub wylicza równanie prostej. Wartość Y
mierzy się równie\
dla próbki badanej, nanosi na krzywą kalibracyjną i odczytuje stę\
enie lub
oblicza z równania prostej.
Rys. 10b. Krzywa kalibracyjna Y = a c
Przed przystąpieniem do oznaczeń metodą krzywej kalibracyjnej nale\
y zbadać zakres
prostoliniowej zale\
ności wartości mierzonej od stę\
enia analitu (Rys. 10c).
D
Rys. 10c. Krzywa kalibracyjna o ograniczonym zakresie stosowania
Na przedstawionej na Rys. 10c krzywej kalibracyjnej do celów analitycznych nadaje się zakres
stÄ™\
eń od 0 do 5 (odcinek krzywej 0D). Krzywą kalibracyjną nale\
y wykonywać w dniu pomiarów,
Monitoring i ocena środowiska  Ćwiczenie 5 33
zmiana warunków pomiarów (np. temperatury) czy u\
ycie innej partii odczynników mo\
e
powodować przesunięcie krzywej kalibracyjnej na osi Y lub zmianę nachylenia prostej Y = f(c).
Na wartość wielkości mierzonej mo\
e mieć du\
y wpływ matryca, czyli to wszystko, co
wprowadzamy do układu pomiarowego poza substancją oznaczaną. Udział matrycy nale\
y
uwzględnić przy sporządzaniu roztworów wzorcowych, dbając by roztwory wzorcowe miały skład i
właściwości fizyko-chemiczne jak najbardziej zbli\
one do właściwości roztworu analitu.
Zmniejszenie wpływu matrycy na wartość wielkości mierzonej mo\
na niekiedy uzyskać przez
wprowadzanie do próbki substancji maskujących. Ograniczenie wpływu matrycy mo\
e być trudne
lub niemo\
liwe, jak często bywa w przypadku próbek środowiskowych, nale\
y 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 cm3 znajduje się 95,9 mg azotanu ołowiu (II) Pb(NO3)2.
Dodano ok. 5 cm3 wody dwukrotnie destylowanej a następnie 5 cm3 stę\
onego kwasu solnego o
czystości cz.d.a. Po całkowitym rozpuszczeniu soli kolbkę uzupełniono wodą destylowaną do
kreski. Otrzymany roztwór zawiera w 1 cm3 120 µg oÅ‚owiu. Nale\
y obliczyć stę\
enie Pb w
otrzymanym roztworze w ppm. Następnie rozcieńczyć go do stę\
enia 10 ppm w kolbce miarowej o
objętości 100 cm3.
Przygotowanie roztworów wzorcowych ołowiu
Roztwór podstawowy soli Pb stę\
eniu 10 ppm nale\
y u\
yć do przygotowania roztworów
wzorcowych o następujących stę\
eniach: 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 cm3. Do ka\
dego roztworu nale\
y dodać po 0,1 cm3 stę\
onego
kwasu solnego. Przygotowane roztwory starannie wymieszać.
Przygotowanie badanych próbek wody do pomiarów
Badane próbki wody nale\
y pobrać do kolbek miarowych o poj. 10 cm3, dodać po 0,1 cm3
stÄ™\
onego 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
u\
yciu spektrometru absorpcji atomowej z atomizerem płomieniowym. Nale\
y wykonać po 5
powtórzeń dla ka\
dego 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(cPb [ppm]), zaznaczyć stę\
enie ołowiu w badanych
próbkach na krzywej kalibracyjnej. Wyliczyć równanie prostej metodą najmniejszych
kwadratów oraz obliczyć współczynnik korelacji. Wyliczyć stę\
enie z równania krzywej
kalibracyjnej. Wyniki oznaczeń stę\
enia oÅ‚owiu w ppm i w µg/dm3 w badanych próbkach
podać jako wartości średnie z przedziałami ufności dla poziomu istotności ą = 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