Agnieszka Wróbel	ANALIZA INSTRUMENTALNA	11.01.2008 r.
II CD L-8	Oznaczanie zawartości żelaza (III) metodą spektrofotometryczną za pomocą kwasu sulfasalicylowego	ocena:

I Podstawy teoretyczne:

Spektrofotometria w zakresie nadfioletu (z ang. UV- ultra-violet) i promieniowania widzialnego (ang. Vis-visible), czyli spektrofotometria UV-Vis jest jedną ze starszych metod analizy instrumentalnej. Przedmiotem badań są widma elektronowe. Przejścia elektronów między poszczególnymi stanami energetycznymi określają reguły wyboru:

1* aby nastąpiła absorpcja promieniowania, muszą istnieć takie dwa stany kwantowe, których różnica energii odpowiada energii hν promieniowania padającego

2* absorpcja promieniowania musi być związana ze zmianą momentu dipolowego cząsteczki µ. W sposób ilościowy warunek ten opisuje tzw. moment przejścia między stanami elektronowymi, które określają prawdopodobieństwo absorpcji dopasowanego fotonu.

Przejścia spełniające reguły wyboru są nazywane przejściami dozwolonymi. Miarą intensywności pasma absorpcji jest wartość molowego współczynnika absorpcji ε_max przy długości fali w maksimum absorpcji λ_max.

Wiązka promieniowania monochromatycznego po przejściu przez jednorodny ośrodek absorbujący o grubości b ulega osłabieniu według równania:

I = I₀ • e^−kb

z którego, po przekształceniu otrzymujemy wzór:

$$\ln\frac{I}{I_{0}} = kb = A$$

gdzie A jest to zdolność pochłaniania promieniowania, czyli absorbancja.

Absorbancja jest proporcjonalna do grubości warstwy absorbującej, jeżeli wiązka promieniowania monochromatycznego przechodzi przez jednorodny ośrodek absorbujący i jest to I prawo absorpcji, natomiast II prawo absorpcji (prawo Lamberta- Beera) dotyczy absorpcji promieniowania przez roztwory: jeżeli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika jest równy zeru, to absorbancja wiązki promieniowania monochromatycznego, po przejściu przez jednorodny roztwór, jest wprost proporcjonalna do stężenia roztworu c i do grubości warstwy absorbującej b. Prawo addytywności absorpcji, czyli III prawo absorpcji mówi nam, że absorbancja roztworu wieloskładnikowego równa jest sumie absorbancji poszczególnych składników.

Wykres zależności absorbancji od stężenia jest linią prostą, jeżeli roztwór spełnia II prawo absorbancji.

Liniowa zależność absorbancji od stężenia zgodna z prawem Beera zachowana jest jedynie dla niskich stężeń roztworów c<10^-2 mol/l. Przy wyższych stężeniach może dojść do odchyleń od tego prawa wywołanych oddziaływaniami między cząsteczkami. Najlepiej jest tak dobierać stężenia badanych roztworów aby wartość absorbancji nie przekraczała 1. W nowoczesnych spektrofotometrach absorbancja może dochodzić nawet do 2,5.

Przyczyną innych odchyleń od tego prawa mogą być również niedoskonałości aparaturowe (zbyt duża szerokość spektralna wiązki światła, zbyt duży poziom światła rozproszonego, niska czułość detektora itp.).

Wartość A jest zależna od długości fali λ promieniowania padającego. Wtedy zależność między A i λ jest określana mianem krzywej absorpcji.

Wybór długości fali, przy której mierzy się absorbancję roztworu, zależy od kształtu widma absorpcji. Długość fali (λ_max) odpowiadająca maksymalnej absorbancji (A_max) służy zazwyczaj do wyznaczania krzywej wzorcowej tego roztworu oraz do oznaczania jego stężeń nieznanych. Widmo absorpcji promieniowania danego rodzaju cząsteczek określa się w funkcji długości fali (λ).Kształt widma absorpcji dla danego rodzaju cząsteczek zależy od wielu czynników: stanu skupienia, temperatury, rozpuszczalnika, pH, obecności zanieczyszczeń.

Charakterystykę widma absorpcji stanowi liczba pasm absorpcji (maksimów), długość fali (lub częstotliwość) odpowiadająca maksimum oraz natężenie i kształt pasma absorpcji.

Spektrofotometry UV-Vis to przyrządy do badania absorpcji promieniowania elektromagnetycznego w zakresie nadfioletu i części widzialnej widma. Pierwotnie korzystano z kolorymetrii polegającej na porównywaniu intensywności zabarwienia dwóch roztworów, z których jeden był roztworem wzorcowym, a drugi roztworem badanym. Obecnie stosuje się spektrofotometry, których budowę przedstawia poniższy schemat:

Ze względu na sposób rejestracji spektrofotometry można podzielić na spektrofotometry:

• punktowe

• samorejestrujące

• jednowiązkowe

• dwuwiązkowe

• klasyczne

• z detekcją równoległą.

Ilościowe oznaczanie metodą spektrofotometrii UV-Vis jest metodą porównawczą. Dlatego konieczne jest posługiwanie się wzorcami i krzywymi kalibracyjnymi. Oznaczanie pojedynczego składnika przeprowadza się metodą porównywania z pojedynczym wzorcem (gdzie mierzymy absorbancję roztworu badanego i wzorcowego o znanym stężeniu przy tej samej długości fali i jednakowych kiuwetach), metodą porównywania z kilkoma wzorcami (czyli metodą krzywej wzorcowej) albo metodą dodatku wzorca.

II Wykonanie pomiaru:

1. Schemat aparatury pomiarowej:

Do pomiarów absorpcji światła używamy spektrofotometrów. Typowy aparat składa się z następujących elementów:

1. źródło promieniowania

2. monochromator (przed nim znajduje się regulator natężenia)

3. kiuweta

4. detektor

5. rejestrator/wskaźnik

Spektrofotometr Spekola pozwala na pomiar absorbancji w zakresie 365-750 nm. Źródłem światła jest lampa żarowa, a monochromatorem siatka dyfrakcyjna.

2. Przepis oznaczenia:

a) przygotowanie krzywej wzorcowej:

Podstawowy roztwór żelaza III (1mg Fe/cm³ rru)

Rozpuścić 0.8630g Fe(NH₄)(SO₄)₂•12 H₂O w wodzie destylowanej z dodatkiem 0.5 cm³ stężonego kwasu siarkowego i rozcieńczyć wodą w kolbie miarowej o poj. 100 cm³.

Roboczy roztwór żelaza (III)

5 cm³ roztworu podstawowego przenieść ilościowo do kolby miarowej o pojemności 100 cm³ i uzupełnić 0.01n kwasem siarkowym do kreski.

Wzorcowe roztwory żelaza (III)

Do kolbek miarowych o poj. 50 cm³ pobrać ilościowo 5, 7, 9, 11, 15, 20 cm³ roztworu roboczego. Do każdej kolbki dodać po 10 cm³ wody destylowanej, 1 cm³ roztworu kwasu azotowego V (1:1), 1 cm³ 2n kwasu siarkowego oraz 10 cm³ 5% roztworu kwasu sulfasalicylowego, a następnie uzupełnić wodą destylowaną do kreski. Roztwory dokładnie wymieszać i przygotować roztwór ślepej próby (mieszanina powyższych roztworów nie zawierająca roztworu roboczego).

b) pomiar absorbancji i wykonanie doświadczenia:

Pomiaru absorpcji promieniowania dokonujemy przy λ=510 nm, a każdy pomiar powtarzamy 3 razy. Roztwór otrzymany w kolbie miarowej dopełniamy wodą do objętości 100 cm³ i mieszamy. Pobieramy 20 cm³ do kolbki o pojemności 50 cm³, następnie dodajemy 10 cm³ wody destylowanej, 1 cm³ roztworu kwasu azotowego V (1:1), 1 cm³ 2n kwasu siarkowego oraz 10 cm³ 5% kwasu sulfasalicylowego. Uzupełniamy wodą destylowaną i mieszamy. Mierzymy absorbancję wobec ślepej próby.

3. Tablice wyników pomiarowych:

Absorbancja	Stężenie [mol/dm^3]
Pomiar I	Pomiar II
0.165	0.170
0.230	0.230
0.300	0.300
0.360	0.360
0.495	0.490
0.640	0.640

III Opracowanie wyników:

A_x: 0.335; 0.340; 0.340 => średnia wartość A_x=0.338

Do obliczenia stężenia badanej próbki korzystam ze wzoru A=K*c+C, gdzie K, C-parametry krzywej wzorcowej.

Równanie prostej y=ax+b, zatem K i C odpowiadają wartościom a i b, które obliczamy ze wzorów:

$a = \frac{\sum_{}^{}{x_{i}\sum_{}^{}y_{i} - n\sum_{}^{}{x_{i}y_{i}}}}{{(\sum_{}^{}{x_{i})}}^{2} - n\sum_{}^{}{x_{i}}^{2}}\text{\ \ }$ $b = \frac{\sum_{}^{}{x_{i}\sum_{}^{}{x_{i}y_{i}} - \sum_{}^{}y_{i}\sum_{}^{}{x_{i}}^{2}}}{{(\sum_{}^{}{x_{i})}}^{2} - n\sum_{}^{}{x_{i}}^{2}}$

Wstawiając poszczególne dane do wzoru otrzymujemy, że współczynnik a=1769.325, a współczynnik b=0.0111. Na tej podstawie można obliczyć stężenie otrzymanej próbki:

A = K • c − C $c = \frac{A - C}{K}$=$\frac{0.338 - 0.0111}{1769.325}$=1.8476 • 10⁻⁴ $\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}$

Aby dowiedzieć się jaka była zawartość Fe(III) w roztworze badanym, korzystam ze wzoru m=c•250. Ponieważ stężenie podane jest w $\frac{\text{mol}}{\text{dm}^{3}}$, zatem należy przeliczyć wartości:

1 cm³ – 1.8476 • 10⁻⁴ mmol Fe – x mg

1 mmol Fe – 55.845 mg

Stąd x=1.0318•10⁻² mg Fe, zatem m=0.010318•250=2.58 mg

Analizując przebieg krzywej, można odczytać wartość stężenia dla badanej absorbancji, która oscyluje w granicach wyniku policzonego powyżej. Zatem masa Fe (III), liczona w analogiczny sposób, będzie taka sama jak obliczona.