OKTATÁSI SEGÉDLET a Környezeti analízis II. c. tantárgyhoz kapcsolódó laboratóriumi gyakorlat feladataihoz Nappali és levelező tagozatos környezetmérnök (BSc) szakos hallgatók számára Készítette: Dr. Bodnár Ildikó főiskolai tanár DE-MK, Környezet- és Vegyészmérnöki Tanszék 2004-2009.
TARTALOMJEGYZÉK KÖRNYEZETI ANALÍZIS II.... 3 GYAKORLAT - NAPPALI TAGOZAT... 3 KÖRNYEZETI ANALÍZIS II.... 4 GYAKORLAT - LEVELEZŐ TAGOZAT... 4 LABORATÓRIUMI MUNKAVÉDELMI ELŐÍRÁSOK... 5 A GYAKORLATOK RÉSZLETES LEÍRÁSA... 10 KÖRNYEZETI MINTA ÖSSZES NITROGÉN-TARTALMÁNAK MEGHATÁROZÁSA KJELDAHL- MÓDSZERREL... 11 KÖRNYEZETI MINTA FOSZFOR-TARTALMÁNAK MEGHATÁROZÁSA FOTOMETRIÁSAN... 17 KÖRNYEZETI MINTA KÉN-TARTALMÁNAK MEGHATÁROZÁSA TURBIDIMETRIÁSAN... 24 KÖRNYEZETI MINTA FE-, MN-, ZN-, CU-, CA-, MG-TARTALMÁNAK MEGHATÁROZÁSA ATOMABSZORPCIÓS SPEKTROMETRIÁVAL... 31 KROMATOGRÁFIÁS VIZSGÁLATOK... 41 1. AMINOSAVAK ELVÁLASZTÁSA RÉTEGKROMATOGRÁFIÁVAL... 41 2. IONKROMATOGRÁFIÁS VIZSGÁLAT... 41 1. MELLÉKLET... HIBA! A KÖNYVJELZŐ NEM LÉTEZIK. KALIBRÁCIÓS GÖRBE FELVÉTELE SZÁMÍTÓGÉPPEL... HIBA! A KÖNYVJELZŐ NEM LÉTEZIK. 2
Környezeti analízis II. gyakorlat - NAPPALI TAGOZAT Általános tudnivalók: Heti óraszám: 2 óra gyakorlat, 15 hét x 2 óra, összesen: 30 óra. Tömbösítve 6 órás gyakorlatban 5 héten át csoportbontásban (~20 fő/csoport). A gyakorlathoz a hallgatónak gondoskodnia kell az alábbi eszközökről: Köpeny, vegyszeres kanál, csipesz, alkoholos filctoll, számológép, jegyzőkönyv, törlőruha, gumikesztyű, milliméterpapír. Az oktatási segédlet felépítése: Ezen jegyzet rövid laboratóriumi munkavédelmi előírások és mintajegyzőkönyv után hetenként az alábbi bontásban tartalmazza a gyakorlat elvégzéséhez szükséges ismereteket: I. A meghatározás elméleti alapjai II. A feladatok leírása (receptúrális) III. Mintaszámítások (vagy kiértékelés) A gyakorlat tematikája: Környezeti minta összes nitrogén-tartalmának meghatározása Kjeldahl-módszerrel (NTM) Környezeti minta foszfor-tartalmának meghatározása fotometriásan (PTM) Környezeti minta kén-tartalmának meghatározása turbidimetriásan (STM) Környezeti minta Fe-, Mn-, Zn-, Cu-, Ca-, és Mg-tartalmának meghatározása atomabszorpciós spektrometriával (FTM) Kromatográfiás vizsgálat (KRM) (A személyre szóló heti beosztás a hirdetőn és a honlapon található!) Gyakorlathoz kapcsolódó, illetve felhasznált irodalom: Dr. Loch Jakab, Dr. Kiss Szendille, Dr. Vágó Imre: Mezőgazdasági kémia gyakorlat, III. rész, oktatási segédlet, Debreceni Agrártudományi Egyetem, MTK, Kémiai Tanszék, Debrecen, 1982. Kőmíves József: Környezeti analitika Környezeti analízis I. tantárgy előadásanyaga A gyakorlat időpontja, helye: Beosztás: lásd NEPTUN rendszer ill. www.mfk.unideb.hu/bodnari honlapon A gyakorlat helye: DE AMTC MK, Agrokémiai és Talajtani Tanszék, 4032 Debrecen, Böszörményi út 138., B épület 1. emelet, 2.sz. labor. A gyakorlatokon a megjelenés kötelező, hiányzást csak felmentés vagy orvosi igazolás esetén fogadok el! Értékelés: Minden laboratóriumi gyakorlat előtt zárthelyi dolgozat formájában van számonkérés, az aznapi munkából. A zárthelyik érdemjegye, illetve a jegyzőkönyvekre kapott érdemjegy átlaga adja meg a gyakorlati jegyet. A labor elméleti zárthelyik súlyozottan számítanak, 5-ből 3 elégtelen labor zárthelyi dolgozati jegy esetén nincs aláírás! A gyakorlati jegy a félévközi jegy 1/3-a, illetve az aláírás feltétele. Aláírás megszerzésének feltétele: Minden gyakorlat előtt rövid zárthely dolgozat sikeres megírása. A laboratóriumi gyakorlatok elvégzése. A jegyzőkönyvek beadása és azok elfogadása. 3
Környezeti analízis II. Gyakorlat - LEVELEZŐ TAGOZAT Általános tudnivalók: Konzultációs óraszám: 1 óra gyakorlat, 5 hét x 1 óra, összesen: 5 óra. Tömbösítve 5 órás gyakorlatban 1 héten át. A gyakorlathoz a hallgatónak gondoskodnia kell az alábbi eszközökről: Köpeny, vegyszeres kanál, csipesz, alkoholos filctoll, számológép, jegyzőkönyv, törlőruha, gumikesztyű. Az oktatási segédlet felépítése: Ezen jegyzet rövid laboratóriumi munkavédelmi előírások után az alábbi bontásban tartalmazza a gyakorlat elvégzéséhez szükséges ismereteket: 1. A meghatározás elméleti alapjai 2. A feladatok leírása (receptúrális) 3. Mintaszámítások A gyakorlat tematikája: Környezeti minta összes nitrogén-tartalmának meghatározása Kjeldahl-módszerrel (NTM) Környezeti minta foszfor-tartalmának meghatározása fotometriásan (PTM) Környezeti minta kén-tartalmának meghatározása turbidimetriásan (STM) Környezeti minta Fe-, Mn-, Zn-, Cu-, Ca-, és Mg-tartalmának meghatározása atomabszorpciós spektrometriával (FTM) Kromatográfiás vizsgálat (KRM) (A személyre szóló heti beosztás a hirdetőn és a honlapon található!) Gyakorlathoz kapcsolódó, illetve felhasznált irodalom: Kőmíves József: Környezeti analitika Környezeti analízis I. tantárgy előadásanyaga A gyakorlat időpontja, helye: Beosztás: lásd NEPTUN rendszer ill. www.mfk.unideb.hu/bodnari honlapon A gyakorlat helye: DE AMTC MK, Agrokémiai és Talajtani Tanszék, 4032 Debrecen, Böszörményi út 138., B épület 1. emelet, 2.sz. labor. A gyakorlatokon a megjelenés kötelező, hiányzást csak felmentés vagy orvosi igazolás esetén fogadok el! Értékelés: A laboratóriumi gyakorlat előtt zárthelyi dolgozat formájában van számonkérés, az aznapi munkából. A zárthelyi érdemjegye, illetve a jegyzőkönyvre kapott érdemjegy átlaga adja meg a gyakorlati jegyet. A gyakorlati jegy a félévközi jegy 1/3-a, illetve az aláírás feltétele. Aláírás megszerzésének feltétele: A gyakorlat előtt rövid zárthely dolgozat sikeres megírása. A laboratóriumi gyakorlatok elvégzése. A jegyzőkönyv beadása és azok elfogadása. 4
Laboratóriumi munkavédelmi előírások Általános munka,- tűzvédelmi és rendészeti oktatási tematika hallgatók részére: A hallgató köteles: Egészsége és testi épsége érdekében a gyakorlati oktatáson a feladat ellátására alkalmas állapotban és ruházatban megjelenni. A feladat alkalmas állapot kizárja alkohol, kábítószer és gyógyszer kivéve orvosi kezelés, betegség miatti szakorvos által felügyelt gyógyszerszedés fogyasztását. A gyakorlati oktatás folyamán a hallgató csak olyan tevékenységet folytathat, amelyhez a gyakorlat vezetője hozzájárult, és a hallgató rendelkezik a feladat ellátásához szükséges munka és tűzvédelmi ismeretekkel. A gyakorlati oktatás folyamán a munkaterületen rendet és fegyelmet tartani. Védőfelszerelés használni. A gyakorlati oktatás folyamán a legkisebb sérülést, rosszullétet, megbetegedést köteles a gyakorlat vezetőjének azonnal jelenteni. A gyakorlati munka közben észlelt veszélyeket lehetősége szerint megszüntetni vagy ezirányú intézkedéseket tenni. Gyakorlati foglalkozás közben munkáját elvárható gondossággal, a munkájára vonatkozó szabályok, előírások és utasítások szerint végezni. Dohányozni csak a kijelölt dohányzóhelyeken szabad! A helyszínen és környékén (park, autóparkoló stb.) égő dohányneműt, cigarettacsikket, egyéb éghető anyagot kivétel kihelyezett hulladékgyűjtőkbe nem szabad eldobni. Hallgató társaival együttműködni és munkáját úgy végezni, hogy azzal más egészségét és testi épségét ne veszélyeztesse. A laboratórium területén (épület, szabad terek) található berendezések, eszközök, gépek állagát megóvni. Káresemény bekövetkezésekor a személyes felelősség megállapítása után az okozott kárt megtéríteni. A gyakorlatvezetők, témavezetők által ismertetett biztonsági szabályokat, utasításokat betartani (pl. labormunka). Hulladékot a kijelölt hulladéktárolókba eldobni. A laboratóriumban a hallgatóknak az alábbi biztonsági szabályokat kell ismerni és betartani: Vegyszerekkel történő munkavégzés, gyakorlati oktatás folyamán védőköpeny használata kötelező. A laboratóriumban mindig rendet és tisztaságot kell tartani. A munkaasztalon, polcon, hűtőszekrényben tűz és robbanásveszélyes anyagok nem maradhatnak. A laboratóriumi edényzet, felszerelés, kiömlött vegyszer, a felhasznált anyag hulladékát, vagy az elhanyagolt, rossz állapotban lévő felszerelést, mint veszélyforrást meg kell szüntetni. Laboratóriumban tartozódóknak ismerniük kell elektromos főkapcsoló, vészkikapcsoló, víz, gázcsapok elzárási helyeit. Fűtőtestre könnyen gyulladó, éghető anyagot elhelyezni nem szabad. 5
A laboratóriumokban a munkavégzéssel kapcsolatos iratokat, technológiai utasításokat ki kell függeszteni vagy könnyen hozzáférhető helyen kell tartani (pl. biztonsági adatlap). Repedt, hibás üveg eszközökkel (kémcső, lombik stb.) nem szabad dolgozni. Maró, mérgező és robbanásveszélyes gázt, gőzt fejlesztő munkafolyamatot kizárólag elszívó fülkében szabad végezni. Nem szabad olyan elszívó vegyi fülkében dolgozni, amelynek elszívása rossz vagy nem működik, ablaküvege törött, tolóajtaját nem lehet lehúzni vagy felnyitott formájában rögzíteni. A laboratóriumi munkahelyen (asztal, fülke) csak olyan vegyszer üvegei tárolhatóak, melyeknek a végzett munka közben állandóan kéznél kell lenniük. Szerves oldószert, tömény savat, mérgező anyagot, valamint szerves oldószerrel szennyezett mosóanyagot a csatornahálózatba önteni tilos. A laborgyakorlatok előtt a gyakorlatot vezető oktató által elmondott munka,- tűzvédelmi szabályokat betartani. Az éghető folyadékokkal kapcsolatos tűzvédelmi szabályok: A laboratóriumokban a kísérleti vegyi anyagokat, mérgeket csak az erre a célra rendszeresített robbanás biztos lemezszekrényben szabad elhelyezni. Mosóanyagból csak a munkavégzéshez szükséges mennyiséget szabad a helyszínen tartani. Tűz esetén szükséges teendők 1.1. Tűzjelzés Abban az esetben, ha bármely hallgató, tüzet vagy annak közvetlen veszélyét észleli vagy ezekről tudomást szerez, azonnal jelentse: - a gyakorlat vezetőjének, - az helyszín legközelebbi portaszolgálatára, - telefon keresztül: 105 (Tűzoltóság központi száma) 1.2. A tűzjelzésnek tartalmaznia kell a tűzeset pontos helyét, a létesítmény címet (helység, utca,) a tűz kiterjedését, a tűzben részt vevő anyagok fajtáját, információt a veszélyeztetett személyekről, további veszélyhelyzet kialakulásának lehetőségét, a jelzést adó nevét és a használt telefon számát. 1.3. Kiürítés A tűz által érintett épületrészek kiürítését és oltását haladéktalanul meg kell kezdeni. A kiürítést az épületek körüli területekre, illetve a főépület belső udvarára kivétel téli hónapok szükséges végrehajtani. 1.4. Tűz esetén tanúsítandó magatartás Tűz esetén, a tűz jelzésében, továbbá tűzoltási tevékenységben, a mentési munkákban amennyiben életveszéllyel nem jár minden állampolgár köteles a tőle elvárható módon részt venni és az alábbiak szerint cselekedni: 6
A környezetében lévő embereket és a portaszolgálatot a tűz észlelését követően riasztani. Életveszély esetén kezdje meg a veszélyeztetett személyek mentését, elsősegélyben részesítését és biztonságba helyezését. Rendelkezésére álló tűzoltó készülékekkel próbálja a tűz terjedését megakadályozni és a tűz oltását végezni. A kiérkező tűzoltók számára minden tűzeseménnyel kapcsolatos információt rendelkezésre bocsátani kiemelten a tűz helyére, kiterjedésére, emberélet veszélyezettségére vonatkozóan. Laboratóriumi tűz esetén a tennivalók sorrendje a következő: - emberélet mentése, - tűzjelzés, riasztás, kiürítés, - gázcsap elzárása, éghető anyag eltávolítása, - tűzoltás megkezdése. A balesetvédelmi oktatási anyag a munkavédelemről szóló 1993-ban elfogadott XCIII. törvény, a tűzvédelemről szóló 1996. XXXI. törvény és végrehajtási rendeletei alapján készült. 7
Jegyzőkönyv-minta: Ebben a félévben a jegyzőkönyveket adott feladathoz előre, otthon kell egyénileg elkészíteni, kézzel írva, az alábbi általános séma szerint: Név: Évfolyam, szak: Dátum:... A gyakorlat címe 1. Feladat: A feladat megfogalmazása 2. Elméleti alapok: Rövid, közel 1 A4-es oldalnyi elméleti összefoglaló az adott feladathoz kapcsolódóan. 8
3.) A meghatározás menete: 4.) Mérési adatok: táblázatba foglalva Reakcióegyenlet: ha van! 5.) Az eredmény számítása: 6.) Eredmény: A végeredmény megadása egy mondatban! A grafikus kiértékeléseket mellékelje a jegyzőkönyvéhez. 9
A gyakorlatok részletes leírása 10
Környezeti minta összes nitrogén-tartalmának meghatározása Kjeldahl-módszerrel I. Elméleti alapok: Az összes N-tartalom meghatározásához növényi mintát használunk, melyet elroncsolunk. A roncsolás során a szerves N-vegyületek vízoldható vegyületekké alakulnak. Az elroncsolt anyagból törzsoldatot készítünk, majd a törzsoldat N-tartalmát Wagner-Parnas vízgőzdesztilláló készülék segítségével desztillálással és ezt követő titrálással határozzuk meg. 1. Növényi minták előkészítése az analízishez: A légszáraz növényi mintát finomra őröljük, majd 105ºC-on súlyállandóságig szárítjuk. A megőrölt és megszárított mintát a szervetlen alkotórészek meghatározása céljából két módszerrel vihetjük maradéktalanul oldatba: a.) Roncsolás nedves úton: A növényi anyagot tömény kénsav és hidrogén-peroxid elegyével forraljuk. A roncsolás hatásfokát növelhetjük a forralás hőmérsékletének emelésével, pl. K 2 SO 4 hozzáadásával vagy katalizátorok alkalmazásával. Katalizátorként ma leggyakrabban Hg-t, Se-t, vagy CuSO 4 -ot alkalmaznak. A roncsolás során a növényben lévő N formák (NH 4 ) 2 SO 4 -tá alakulnak A nedves minta előkészítés lépései: 2. Desztillálás A desztilláció egy elválasztási művelet, mely során a folyadék elegy vagy oldat egyik komponensét elkülönítjük az összetevők különböző forráspontja alapján. A desztilláció a folyadékelegy forrásban tartásán és a gőz cseppfolyósításán, lecsapatásán alapszik. Az elegy forráspontja csakis annak összetételétől és a forrásban levő elegyre gyakorolt külső nyomástól függ. Ha például atmoszferikus nyomás alatt dolgozunk, akkor akármennyire is hevítenénk az elegyet, ezt a hőmérsékletet nem tudnánk emelni, és a forrási hőmérséklet csak annak eredményeképpen emelkedhet, ha az illékonyabb komponensben feldúsult gőzt lecsapatjuk és eltávolítjuk, de ez azt jelenti, hogy a forrásban levő folyadék 11
összetételét is megváltoztattuk. A desztilláció, vagy lepárlás műveletét lényegében folyadékok elválasztására használjuk. Az egyszeri desztilláció legegyszerűbb módszere esetén a folyadékelegyet egy forralóedénybe (forralóba, vagy üstbe) tesszük és a lecsapatott gőzt a forráspontot figyelve kívánalmak szerint külön gyűjtőedényekben (szedőkben) összegyűjtjük. Vákuumdesztillációt akkor használunk, amikor a desztillálandó anyag, vagy annak egy része hőérzékeny. Az eljárás elve a következő: mivel egy anyag forráspontja az a hőmérséklet, amelyen annak gőznyomása eléri a külső nyomást, ezért annak csökkentésével a forráspont is csökkenthető, növelésével pedig emelhető. Vízgőzdesztilláció: Ez a kényes anyagok szétválasztásának egy alternatívája. A desztilláció során forró vízgőzt vezetünk be, a desztillált folyadék viszonylag kis gőznyomásához hozzáadódik a vízgőz nyomása, így viszonylag könnyen kialakul az 1 bar együttes nyomás. A desztilláció során sok víz és kevés elválasztandó anyag desztillál át. A vízgőzdesztilláció célja a kísérlet során, hogy a roncsolat ammónium-ion (N-)tartalmát elkülönítsük és egy másik edényben összegyűjtsük. A vízgőzdesztilláló készülékben elhelyezzük a növényi roncsolatot (ami, ammónium-szulfát formájában tartalmazza a nitrogént) és ehhez NaOH-t öntünk. Ennek hatására ammónia szabadul fel. (NH 4 ) 2 SO 4 + 2 NaOH = 2 NH 3 + Na 2 SO 4 + 2 H 2 O A vízgőz a képződött ammóniát a hűtőn keresztül a szedőlombikba hajtja. A szedőlombikban az ammóniát bórsavban fogjuk fel. A bórsav egy része így ammónium-boráttá alakul, az átalakulást az oldat színváltozása is jelzi. 3 NH 3 + 3H 3 BO 3 = (NH 4 ) 3 BO 3 A művelethez Parnas-Wagner vízgőz desztilláló berendezést használunk, melyet a követketőképpen kezelünk.: 12
A desztillálás lépései: 1. A desztillálás kezdete előtt át kell mosni a desztillációs hüvelyt. Ha a jobb oldali vízgőzáram-szabályozó kart lefelé állítjuk (míg a bal fel van engedve), a vákuum hatására a vizes lombikból víz áramlik a jobb oldali desztillációs hüvelybe. A vízgőzáram-szabályozó kart ezután felfelé állítjuk és a bent lévő folyadékot a folyadék-levezető csövön keresztül leengedjük. 2. A desztilláláskor először a bórsavas szedőedényt felhelyezzük, majd a felső dugót eltávolítjuk és óvatosan beöntjük pipettából a törzsoldat egy részletét, majd a 20%-os nátrium-hidroxidot, közben a vízgőz-szabályozó kar félállásban van. Ezután a dugót visszazárjuk. 3. A desztillálás befejeztével a lombik alatt lévő csempedarabot lebillentjük és óvatosan kivesszük a bórsavas lombikot és egy vizes lombikot teszünk be helyette. 4. Leeresztjük a hüvelyben lévő folyadékot és kimossuk a hüvelyt. 5. A gyakorlat befejeztével a hátsó víztartályt feltöltjük úgy, hogy a vízszintjelző felső jeléig érjen a víz. 3. Titrálás A desztillálás befejeztével a szedőlombik tartalmát 1/140 mólos H 2 SO 4 -val megtitráljuk. A titrálás során végbemenő reakció egyenlete: 3 H 2 SO 4 + 2 (NH 4 ) 3 BO 3 = 3 (NH 4 ) 2 SO 4 + 2 H 3 BO 3 A titrálás célja az oldat ammónium-borát tartalmának meghatározása, mely alapján az eredeti minta N-tartalma visszaszámolható. Az ammónium-borát -- bórsav elegy kénsavas 13
titrálásakor az ammónium-borát (ami gyenge bázis) visszaváltozik bórsavvá (ami gyenge sav), a kémhatásváltozást az oldatba kevert indikátor színe jelezi: zöldről pirosra változik. A számításkor figyelembe kell vennünk a kénsav oldat faktorát is. A faktor egy korrekciós tényező mely alapján a savak vagy bázisok pontos töménysége megadható. A faktor azt adja meg, hogy hányszor töményebb vagy hígabb az oldat a névleges koncentrációnál. Ha pl. egy oldat nem pontosan 0,1 mol/dm 3 -es, hanem 0,1035 mólos, akkor azt mondjuk, hogy az oldat névleges koncentrációja 0,1 mol/dm 3 és a faktora pedig 1,035. II. Feladat: Az összes N-tartalom meghatározásához növényi mintát használunk, melyet elroncsolunk. A roncsolás során a szerves N-vegyületek vízoldható vegyületekké alakulnak. Az elroncsolt anyagból törzsoldatot készítünk, majd a törzsoldat N-tartalmát Wagner-Parnas vízgőzdesztilláló készülék segítségével desztillálással és ezt követő titrálással határozzuk meg. Szükséges reagensek: 2 %-os bórsav-oldat: 20 g bórsav 1000 cm 3 desztillált vízben oldva Keverékindikátor: 0.99 g brómkrezolzöld és 0,66 g metilvörös indikátort elporítunk és alkoholban feloldunk. Végtérfogat 1000 cm 3. Indikátoros bórsav: 100 cm 3 keverékindikátor + 4900 cm 3 bórsav cc. H 2 SO 4 10 cm 3 30 %-os H 2 O 2 30 %-os NaOH 1/140 mólos H 2 SO 4 -oldat Szükséges eszközök: 3 db 100 cm 3 -s Erlenmeyer lombik, 2 db főzőpohár, 1 büretta, 1db 100 cm 3 -s mérőlombik, 1db 10 cm 3 -s pipetta, 1db 50 cm 3 -s mérőhenger 14
A meghatározás menete: a.) Roncsolás, törzsoldat készítés 1 g kiszárított és megőrölt növényi anyagot Kjeldahl lombikba mérünk és hozzáadunk 10 cm 3 cc. H 2 SO 4 -at, ezt követően egy éjszakán állni hagyjuk. Másnap 10 cm 3 30 %-os H 2 O 2 -dal egészítjük ki és gázlángon fülke alatt melegítjük. A melegítést addig folytatjuk, míg a lombik tartalma elszíntelenedik. Szükség esetén a hidrogén-peroxid jelig töltjük, összerázzuk és ha szükséges az oldatot szűrjük. Figyelem! Az a. feladatrészt a gyakorlatvezetők előkészítik, a hallgatónak nem kell a roncsolást elkészítenie, csak a roncsolatot 100 cm 3 -re feltölteni desztillált vízzel. b.) Desztillálás A meghatározáshoz Erlenmeyer lombikba (szedőlombikba) 20 cm 3 2 %-os bórsav-oldatot pipettázunk, mely brómkrezolzöld-metilvörös keverékindikátort tartalmaz. A desztillálókészülékbe 10 cm 3 törzsoldatot pipettázunk, mérőhenger segítségével 20 cm 3 30 %- os NaOH-ot adunk hozzá, majd desztillálunk. A desztillálás menetét és a készülék kezelését az elméleti alapokban ismertettük. c.) Titrálás A desztillálás befejeztével a szedőlombik tartalmát 1/140 mólos H 2 SO 4 -val megtitráljuk. Az ammónia hatására megzöldült oldatot az eredeti színre titráljuk vissza. A mérőoldat fogyásából számítjuk ki a növényi minta összes N-tartalmat. Három párhuzamos mérés átlagából számolunk. Határozza meg a és számítsa ki a növényi roncsolat összes N-tartalmát! Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! III. A gyakorlathoz kapcsolódó számítási feladatok: Mintafeladat Ha a titrálás során a fogyások átlaga 6,2 cm 3, a felhasznált kénsav f= 0,9998 faktorú és1/140 mólos volt, akkor hány százalék nitrogént tartalmazott az eredeti minta? Megoldás: A titrálás egyenlete: 3H 2 SO 4 + 2(NH 4 ) 3 BO 3 = 3(NH 4 ) 2 SO 4 + 2H 3 BO 3 1/140 mol/dm 3 koncentrációjú f= 0,9998 faktorú kénsav pontos koncentrációja: 0,007143 * 0,9998 = 0,007129 mol/dm 3 = 7,129 mmol/dm 3 15
Ha 1000 cm 3 oldatban van 7,129 mmol H 2 SO 4 6,2 cm 3 oldatban x mol H 2 SO 4 x = (6,2/1000) 7,129 = 0,044 mmol H 2 SO 4 Ha 3 mol H 2 SO 4 2 mol (NH 4 ) 3 BO 3 -tal reagál 0,044mmol H 2 SO 4 x mol (NH 4 ) 3 BO 3 -tal reagál x = (0,044/3) 2 = 0,029 mmol (NH 4 ) 3 BO 3 Tehát a titrálólombikban 0,029 mmol (NH 4 ) 3 BO 3 volt átlagosan, ennek nitrogéntartalma megegyezik a roncsolat nitrogéntartalmával. M((NH 4 ) 3 BO 3 ) = 18*3 + 10,8 + 16*3 = 112,8g/mol Ha 1000 mmol (112,8g) (NH 4 ) 3 BO 3 42g N t tartalmaz 0,029 mmol (NH 4 ) 3 BO 3 x mol N-t tartalmaz tartalmaz x = (0,029/1000) 42 = 0,0012 g N t 0,029 mmol (NH 4 ) 3 BO 3 0,1 g növényi mintára vonatkozik, hiszen a törzsoldatnak csak az egy tizedét használtuk fel. Ha 0,1 g növény x = (100/0,1) 0,0012 = 1,2 g N-t tartalmaz 0,0012g N-t tartalmaz 100 g növény x g N-t tartalmaz Tehát a növényminta N-tartalma százalékban: N% =1,2 16
Környezeti minta foszfor-tartalmának meghatározása fotometriásan 1. Az UV-VIS spektrofotomertia alapjai. A mérés a molekulák és ionok fényelnyelésén alapszik. A fényelnyelés az ultraibolya (UV) vagy látható (VIS) tartományból történik, melynek hullámhossztartománya (200nm-800nm). Az UV-VIS spektrofotometria széles körben elterjedt módszer, mely minőségi és mennyiségi elemzéseket egyaránt lehetővé tesz. Elsősorban környezeti minták nitrát-, ammónium- és foszfáttartalmának meghatározására használják. Ha egy színes oldaton át fényt bocsátunk keresztül, az oldatban lévő molekulák egy része az összetett fényből valamilyen hullámhossztartományban fényt nyel el. A fényelnyelést abszorbanciának (A) nevezzük. Az, hogy milyen hullámhossztartományban történik az elnyelés, az oldat anyagi minőségétől függ, az elnyelés intenzitása pedig a koncentrációval arányos. Ha a vizsgálandó anyag oldata színtelen, akkor csak akkor tudjuk meghatározni mennyiségét ezen módszerrel, ha valamilyen szelektív reagens segítségével színes vegyületté alakítjuk. A fényelnyelés és koncentráció kapcsolatát a Lambert Beer törvény írja le. Lambert-Beer törvény: Ha egy párhuzamos lapokkal határolt (L vastagságú) homogén rendszeren (lehet oldat, mely oldott molekulákat tartalmaz, vagy lehet gáz) merőlegesen I 0 intenzitású fényt engedünk át, a fény egy része a közegen áthaladva elnyelődik, majd csökkent erősséggel (I) hagyja el a közeget. A fényelnyelés (abszorbancia) nagysága arányos a fény közegben megtett útjával (rétegvastagság, L), és a koncentrációval (c). Ha a mérés során az átvilágított réteg vastagságát nem változtatjuk, a fényelnyelés csak a koncentráció függvénye. Lambert-Beer törvény alakja: Fényelnyelés homogén közegben A = - log I tr /I o = ε. L. c Ahol: A: abszorbancia I tr : a kilépő (transzmittált) fény intenzitása I o : a beeső fény intenzitása L: rétegvastagság c: koncentráció ε: moláris abszorpciós koefficiens [dm 3 mol -1 cm -1 ] 17
Az abszorbancia additív mennyiség, n számú elnyelő komponens esetén: A = ΣA i = Σ ε i. L. c i A koncentráció meghatározást célszerű az anyag ún. elnyelési maximumán végezni, ugyanis a mérés érzékenysége, pontossága itt a legnagyobb. Ennek megállapítása a következőképpen történik: Ha az anyagra folytonos színképű sugárzást bocsátunk és a fényelnyelést ábrázoljuk a besugárzó fény hullámhosszának a függvényében, akkor az ún. abszorpciós spektrumhoz jutunk. Ebből megállapíthatjuk azt a hullámhosszértéket, ahol az anyagunknak elnyelési maximuma van. Az elnyelési maximum anyagi minőségre jellemző érték. A színes anyagok elnyelési maximuma a látható tartományban (400-800nm) van. Sok olyan 3 anyag van azonban, amelyek oldata színtelen (pl: NO 3, PO 4 ) vagy alig színes, így ezek közvetlen mérése nem lehetséges. Ugyanakkor szinte mindegyikhez található olyan reagens (pl: kromotrópsav, ammónium-molibdenát-vanadát) amellyel reagáltatva színessé tehetők és így már spektrofotometriásan mérhetők. A színes vegyületek képzésénél biztosítanunk kell azt, hogy a színképző anyag mindig feleslegben legyen és csak a mérendő anyaggal reagáljon, valamint a színképzés körülményei, pl: ph megfelelőek legyenek. 2. A fotométerek elvi felépítése A spektrofotométerek általános felépítése: Fényforrás és hozzá kapcsolódó tápegység Optikai ill. fényfelbontó egység (szűrő, rács vagy monokromátor) egy bizonyos hullámhosszúságú fény előállításához a folytonos fényből Mintatartó (küvetta) Érzékelő (detektor: pl: fotocella vagy fotoelektron-sokszorozó) Jelfeldolgozó egység vagy számítógép Az egysugaras fotométerek: A tiszta oldószert (vak minta, mely nem tartalmazza a mérendő alkotót) a küvettába helyezzük, majd az azon áthaladó monokromatikus fény hatására jelentkező detektorjelet ellentétesen kapcsolt potenciométer feszültségével kompenzáljuk. Majd a fény útjába ugyanolyan küvettába a vizsgálandó oldatot helyezzük, és az újabb jelet a potenciométerrel újra kompenzáljuk. Ennél a módszernél fontos, hogy a fényforrásból jövő fény intenzitása a mérések közben állandó legyen. Küvetta Egysugaras fotométer (1: fényforrás, 2: monokromátor, 3: optikai rés, 4: detektor, 5: erősítő, 6: regisztráló) 18
Kétsugaras fotométerek: Az egyik fényútba az összehasonlító oldószert, a másikba a vizsgálandó oldatot helyezzük. A két küvettára felváltva azonos hullámhosszúságú, azonos intenzitású fény jut. Az áthaladó két fény intenzitásának hatására a detektorban két fogazott jel jelentkezik. A két amplitúdó különbségét mérjük. Kétsugaras fotométer 3. A spektrofotometriás mérés lépései növényi minták esetén: 3.1.Mintaelőkészítés A légszáraz növényi mintát finomra őröljük, majd 105ºC-on súlyállandóságig szárítjuk. A növényi mintaelőkészítés célja, hogy a száraz növényi őrleményből a vizsgálandó anyagot a oldatba vigyük, amely már alkalmas a kémiai analízisre. A mintaelőkészítés módja változó attól függően, hogy milyen növényi-alkotórészt vizsgálunk. A nitrát-tartalom vizsgálatánál, pl. vizes rázatást alkalmazunk, mivel a nitrát vízzel kioldható a növényből. A növény P- tartalmának vizsgálatánál viszont ennél erélyesebb módszert kell alkalmaznunk, hiszen a szerves kötésben lévő foszfort már nem lehet vízzel kioldani. A mintaelőkészítés során a szerves kötésű P formákat szervetlen formává kell alakítani. Ekkor kétféle módszert használhatunk. 3.1.1. Roncsolás nedves úton:a növényi anyagot tömény kénsav és hidrogén-peroxid elegyével forraljuk. A roncsolás hatásfokát növelhetjük a forralás hőmérsékletének emelésével, pl. K 2 SO 4 hozzáadásával vagy katalizátorok alkalmazásával. Katalizátorként ma leggyakrabban Hg-t, Se-t, vagy CuSO 4 -ot alkalmaznak. A nedves minta előkészítés lépései: 19
3.1.2. Roncsolás száraz úton: A növényi anyagokat 450-550 ºC-on izzítókemencében hamvasztjuk mindaddig, míg a szerves anyagok teljes mértékben oxidálódnak. A szénrészecskék könnyebb oxidációját HNO 3 -val való megcseppentéssel segítjük elő. A hamuban az izzítás hőmérsékletén nem illékony alkotórészek maradnak vissza. A növényi hamut híg savval (HCl, HNO 3 ) visszük oldatba 3.2. Standard oldatok készítése: A standard oldatok ismert koncentrációjú oldatok, melyek a vizsgálandó anyagot növekvő koncentrációban tartalmazzák. A standard oldat első tagjának koncentrációja a vizsgált elemre nulla. A későbbiek során a standard oldatokba ugyanazokat a reagenseket tesszük, mint a növényi roncsolatokba. 3.3. A növényi roncsolatok és a standard oldatok beszínezése Megfelelő színképző reagenst adunk a standard sorozat tagjaihoz és a vizsgálandó növényi roncsolatokhoz. Szükség esetén a zavaró ionok eltávolítására maszkírozó szereket alkalmazunk illetve gondoskodunk a megfelelő ph beállításáról. Az oldatok színének kifejlődéséhez mindig egy bizonyos várakozási időre van szükség. A standard sorozat első tagját vak oldatnak nevezzük. Ez olyan oldat, mely összetétele pontosan megegyezik a mérendő oldat összetételével azzal a különbséggel, hogy ez nem tartalmazza a mérendő iont. A vak oldat esetünkben tehát desztillált víz, mely színképző reagenst (és egyéb adalékanyagokat) kapott. 3.4. Spektrofotometriás mérés Ábra: Az oldatok beszínezése Mérés előtt a spektrofotométert beállítjuk a vizsgálandó anyagra jellemző hullámhosszra. Előfordulhat, hogy a minta fényelnyelését nemcsak a vizsgálandó anyag, hanem a felhasznált oldószerek és adalékanyagok is befolyásolják. Ennek a zavaró hatását a vak oldattal szűrjük ki. A mérés kezdetén tehát a vak oldatra lenullázzuk a műszert. Ezután lemérjük a standard sorozat tagjainak abszorbanciáját növekvő sorrendben. Majd lemérjük az ismeretlen minták abszorbanciáját is. 3.5. A spektrofotometriás mérés kiértékelése Történhet grafikus úton milliméter papír segítségével, vagy számítógépen. Mindkét esetben először ábrázoljuk a standard sorozat tagjainak abszorbanciáját a koncentráció függvényében, és a pontokra egyenest illesztünk. Az így kapott egyenest 20
kalibrációs egyenesnek nevezzük. Ha milliméter papíron értékeljük az adatokat, akkor az ismeretlen abszorbanciáját rávetítjük az illesztett egyenesre és onnan levetítjük az x tengelyre. Ábra: A kalibráló görbe, és az eredmények kiértékelése grafikus úton Ha számítógéppel értékeljük az adatokat akkor az illesztésnél egy regressziós egyenletet kapunk, mely leírja a koncentráció és abszorbancia kapcsolatát. Ebből az egyenletből visszaszámoljuk a koncentrációt. 3.6. Számítás A roncsolat koncentrációjából kiszámoljuk, hogy a növény mennyi vizsgálandó anyagot tartalmazott. II. Feladat: A meghatározás azon alapszik, hogy a foszfát-ionok savas közegben az ammóniummolibdenát-vanadát reagenssel sárga színű komplexet képeznek. A képződött komplexnek 366 nm-nél van fényelnyelési maximuma. Szükséges reagensek: Kénsavas ammónium-vanadát/ammónium-molibdenát reagens: 1,4 g ammónium vanadátot feloldunk 400-500 ml desztillált vízben és egy külön edényben 27,5 g ammóniummolibdenátot oldunk hasonló mennyiségű desztillált vízben. A két oldatot feloldás után összeöntjük és 100 ml cc. H 2 SO 4 -at adunk hozzá, majd kihűlés után mérőlombikban 5000 mlre egészítjük ki. Hitelesítő P-oldat: 100 cm 3 KH 2 PO 4 oldat, mely 1 cm 3 -je 1 mg P-t tartalmaz Szükséges eszközök: 7db 100 cm 3 -s mérőlombik, 1db üvegtölcsér 2 db főzőpohár, 1 db 10 cm 3 -s osztott pipetta, 7 db 100 cm 3 -s Erlenmeyer lombik, 1 db 2 cm 3 -s pipetta, spektrofotométer 21
A meghatározás menete: 1. Növényi minták előkészítése az analízishez: Az 3.1. 1. pont szerint. Figyelem! Az 1. feladatrészt a gyakorlatvezetők előkészítik, a hallgatónak nem kell a roncsolást elkészítenie, a roncsolatból készített törzsoldat 2 cm 3 -es részlete be van készítve Erlenmeyer lombikba. 2. Standard oldatok (ismert koncentrációjú P oldatok) elkészítése A., 100 cm 3 KH 2 PO 4 oldat készítése, mely 1 cm 3 -je 1 mg P-t tartalmaz B., A törzsoldatból 100 cm 3 -es mérőlombikokba a következő koncentrációjú oldatokat készítjük: 0 mgp/2cm 3 (desztillált víz), 0,05 mgp/2cm 3, 0,1 mgp/2cm 3, 0,15 mgp/2cm 3, 0,2 mgp/2cm 3, 0,25 mgp/2cm 3. (A standard oldat sorozat első tagja desztillált víz, ez nem tartalmaz foszfort.) A standard oldat sorozatból 2-2 cm 3 -t mérünk ki Erlenmeyer lombikokba. 3. A növényi törzsoldatok és a standard oldatok színkifejlesztése Színképző reagensként kénsavas ammónium-vanadát/ammónium-molibdenát elegyet használunk. A növényi törzsoldatokhoz, a standard oldatokhoz megfelelő reagenseket adagolunk az alábbiak szerint: A kiadott növényi roncsolathoz és a standard oldatok 2-2 cm 3 -jéhez, illetve 2 cm 3 desztillált vízhez (vakminta) is 25 cm 3 vanadátos reagenst adunk. Ezt követően az oldatokat összerázzuk és 20 percig állni hagyjuk. Ez az idő szükséges a szín teljes kifejlődéséhez. 4. Fotometrálás Először a spektrofotométert beállítjuk 366nm-re, majd vakmintát öntünk a küvettába és a mért abszorbanciát nullára állítjuk be. Ezt követően a különböző ismert koncentrációjú oldatok abszorbanciáját mérjük meg. A mérést mindig a legkisebb koncentrációjú kalibráló oldattal kezdjük és haladunk a nagyobb koncentrációjúak felé. A meghatározáshoz 0,01 mg P/2 ml 0,25 mg P/2 ml közötti koncentrációtartományba eső kalibráló oldatokat használunk. A kalibráló oldatsorozat abszorbanciájának mérése után megmérjük a növényi törzsoldatok abszorbanciáit. Mérés közben a műszer stabilitását a hitelesítő oldatok abszorbanciájának újramérésével ellenőrizzük. 5. Kalibrációs görbe felvétele és kiértékelése Milliméterpapíron történik. A 3.5. pontban leírtak alapján. 6. A növény P- tartalmának kiszámítása 22
A grafikonról leolvasott P koncentrációból (P mg/2ml) - a bemérést és a hígításokat figyelembe véve számítjuk a a növényi minta P-tartalmát. Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! III. A gyakorlathoz kapcsolódó számítási feladatok: Mintafeladat a 2A. részhez. Készítsen 500 cm 3 oldatot, mely 1 cm 3 -je 1 mg P-t tartalmaz M(KH 2 PO 4 ) = 136 g/mol Ha 1 cm 3 oldatban van 1 mg P akkor 500 cm 3 oldatban van 500 mg P Ha 31g P 136g KH 2 PO 4 ban van 0,5g P xg KH 2 PO 4 ban van x = (0,5/31) 136 = 2,1935g 2,1935 g KH 2 PO 4 -t kell 500 cm 3 -re hígítani. Mintafeladat a 2B részhez: Készítsen 200 cm 3 oldatot az előbbi törzsoldatból mely koncentrációja 0,05 mgp/2 cm 3. Ha 2 cm 3 oldatban 0,05 mg P van Akkor 200 cm 3 oldatban 5 mg P van, tehát 5 cm 3 törzsoldatot kell felhígítani 200 cm 3 -re. Mintafeladat a 6. részhez: A kiadott minta P koncentráció-ja 0,12 mg P/2 cm 3. Ennek alapján számítsa ki a növény P koncentrációját százalékban! 1g növényi mintából 100 cm 3 roncsolatot nyertünk, ennek a roncsolatnak a 2 cm 3 -ét használtuk a mérés során. Ha 2 cm 3 oldatban 0,12 mg P van Akkor 100 cm 3 oldatban 6 mgp van. Mivel 1g növényből 100 cm 3 roncsolatot nyertünk, ezért 1g növény 6 mg P-t tartalmaz 100 g növény tehát 600 mg=0,6 g P-t tartalmaz A növény foszfortartalma tehát 0,6%. 23
I. Elméleti alapok Környezeti minta kén-tartalmának meghatározása turbidimetriásan 1. A turbidimetria alapjai A turbidimetria kolloid oldatok fényszóródásán alapszik, manapság kevésbé használt módszer. Környezeti minta szulfát tartalmának mérésére alkalmas. A mérés elve: Ha kolloid oldatot fénnyel világítunk meg, a kolloid részeken fényszóródás következik be (A kolloid oldatokban a részecskék mérete 1-500 nm között van). A fényszóródás következtében az oldaton áthaladó fény intenzitása csökken, hiszen az oldat körül a sugárzás iránytól eltérő irányba is lesz sugárzás. Ezt a jelenséget látszólagos abszorbanciának (pszeudoabszorbancia) vagy turbiditásnak nevezzük. A turbidimetria és nefelometria elve A nefelometriás mérések során az oldat által szórt fény intenzitását, a zavarossági (turbidimetriás) méréseknél pedig az oldaton áthaladó fény intenzitását, tehát látszólagos abszorbanciáját (turbiditását) mérjük. A szórt fény intenzitása melyet a Rayleigh egyenlet ad meg-, több tényező függvénye. Eszerint a szórt fény függ: - a térfogategységben lévő részecskeszámtól, vagyis a koncentrációtól, - a megvilágító fény intenzitásától, - a részecskék sugarának hatodik hatványától. A mérés során tehát biztosítani kell a részecskeméret állandóságát. Ennek érdekében az oldathoz adagolt kolloidstabilizáló anyagot adagolunk, amely megakadályozza az egyes részecskék összetapadását. E mellett ' az is fontos, hogy az oldószer ne tartalmazzon apró, lebegő szennyeződéseket. - a megvilágító fény hullámhosszától, melynek negyedik hatványával fordítottan arányos. Ez azt jelenti, hogy a kolloid részecskék a kis hullámhosszúságú fényt szórják a legjobban. Minél kisebb a megvilágító fény hullámhossza, a szóródás annál nagyobb mértékű. A mérések során célszerű ezért minél kisebb (400-500 nm) hullámhosszúságú 24
fényt kiválasztani. Ugyanakkor a megfelelő hullámhossz kiválasztásánál az is nagyon fontos, hogy ezen a hullámhosszon ne legyen valódi elnyelése, abszorpciója a kolloid oldatnak, mert az a mért látszólagos abszorpcióhoz hozzáadódik és a mérést meghamisítja. Mivel a kolloid oldaton áthaladó fény pszeudoabszorbanciája az oldatban lévő kolloidok számával azaz a kolloid koncentrációval arányos, a módszer felhasználható koncentráció meghatározásra. Összefoglalva a turbidimetriás mérés során a mérendő anyag oldatából kolloid oldatot készítünk, annak pszeudoabszorbanciáját mérjük és ebből kiszámítjuk a koncentrációt. 2. A turbidiméterek elvi felépítése 2.1. A turbidimetriás vizsgálatokhoz fotométereket, spektrofotométereket használunk. Ha I o intenzitású fénnyel világítjuk meg a zavaros oldatot és az oldaton I tr intenzitással jut át a fény, a pszeudoabszorbacia (turbiditás) értéke a következő: τ = lg (I 0 /I tr ) A turbidiméter felépítése: 3.1. Nefelometriás méréseknél a szórt fény intenzitását mérik, ezért a műszer elvi vázlata a következő: A nefelométer felépítése: 25
3. A turbidimetriás mérés lépései növényi minták esetén: 3.1.mintaelőkészítés A légszáraz növényi mintát finomra őröljük, majd 105ºC-on súlyállandóságig szárítjuk. A növényi mintaelőkészítés célja, hogy a száraz növényi őrleményből a vizsgálandó anyagot a oldatba vigyük, amely már alkalmas a kémiai analízisre. Növényi minta kén tartalmának mérésekor nedves úton roncsolunk. Roncsolás nedves úton: 1 g kiszárított és megőrölt növényi anyagot Kjeldahl lombikba mérünk és hozzáadunk 10 ml cc. HNO 3 -at, ezt követően egy éjszakán állni hagyjuk. Másnap 10 ml 30 %-os H 2 O 2 -dal egészítjük ki és gázlángon fülke alatt melegítjük. A melegítést addig folytatjuk, míg a lombik tartalma elszíntelenedik. Szükség esetén a hidrogén-peroxid adagolást megismételjük. Ilyenkor meg kell várni, míg az oldat kihűl, mert ellenkező esetben az oldat erősen habzik. A roncsolás befejezése után a lombik tartalmát lehűtjük és 100 ml-es mérőlombikba mossuk. A lombikot jelig töltjük, összerázzuk és ha szükséges szűrjük A nedves minta előkészítés lépései: 3.2. Standard oldatok készítése A standard oldatok ismert koncentrációjú oldatok, melyek a vizsgálandó anyagot növekvő koncentrációban tartalmazzák. A standard oldat első tagja nem tartalmazza az vizsgált anyagot. 3.3. Kolloid oldatok készítése a standard oldatokból a növényi roncsolatokból. Kolloid képző reagenst adunk a standard sorozat tagjaihoz és a vizsgálandó növényi roncsolatokhoz. Ekkor finom eloszlású (kolloid mérettartományú) csapadék keletkezik. A kolloidok összetapadásának elkerülése végett kolloidstabilizáló szereket is használunk A csapadék teljes kifejlődéséhez egy bizonyos várakozási időre van szükség. A standard sorozat első tagját vak oldatnak nevezzük. Ez olyan oldat, mely összetétele pontosan megegyezik a mérendő oldat összetételével azzal a különbséggel, hogy ez nem tartalmazza a mérendő iont. A vak oldat esetünkben tehát desztillált víz, mely kolloidképző reagenst és kolloidstabilizáló adalékanyagokat kapott. 26
3.4. Spektrofotometriás mérés Ábra: kolloid oldatok elkészítése Mérés előtt a spektrofotométert beállítjuk a megfelelő hullámhosszra. A vak oldatra lenullázzuk a műszert, majd lemérjük a standard sorozat tagjainak pszeudoabszorbanciáját (turbiditását) növekvő sorrendben. Ezután lemérjük az ismeretlen minták pszeudoabszorbanciáját is. 3.5.A spektrofotometriás mérés kiértékelése Történhet grafikus úton milliméter papír segítségével, vagy számítógépen. Mindkét esetben először ábrázoljuk a standard sorozat tagjainak abszorbanciáját a koncentráció függvényében, és a pontokra egyenest illesztünk. Az így kapott egyenest kalibrációs egyenesnek nevezzük. Ha milliméter papíron értékeljük az adatokat, akkor az ismeretlen abszorbanciáját rávetítjük az illesztett egyenesre és onnan levetítjük az x tengelyre. Ábra: A kalibráló görbe, és az eredmények kiértékelése grafikus úton Ha számítógéppel értékeljük az adatokat akkor az illesztésnél egy regressziós egyenletet kapunk, mely leírja a koncentráció és abszorbancia kapcsolatát. Ebből az egyenletből visszaszámoljuk a koncentrációt. 3.6. Számítás A roncsolat koncentrációjából kiszámoljuk, hogy a növény mennyi vizsgálandó anyagot tartalmazott. 27
II. Feladat: A növényi mintát elroncsoljuk, majd a roncsolathoz BaCl 2 -ot adunk és a képződött kolloid állapotú csapadék pszeudoabszorbanciáját 400 nm hullámhosszúságú fénnyel mérjük. Szükséges reagensek: 10 %-os BaCl 2 -oldat: 100 g BaCl 2 x 2 H 2 O-t desztillált vízben oldunk és 1000 ml-re egészítjük ki. Az oldathoz literenként 20 g Tweent adunk. Kalibráló S-oldat: (NH 4 ) 2 SO 4 - oldat,mely 1 cm 3 -e 1 mg S-t tartalmaz. Szükséges eszközök: 2db 100 cm 3 -s mérőlombik, 5db 200 cm 3 -s mérőlombik, 2 db főzőpohár, 1db üvegtölcsér 1db 10 cm 3 -s osztott pipetta, 7db 100cm 3 -s Erlenmeyer lombik, spektrofotométer A meghatározás menete: 1.) Roncsolás, törzsoldat készítés A 3.1. pontban leírtak alapján. Figyelem! Az 1. feladatrészt a gyakorlatvezetők előkészítik, a hallgatónak nem kell a roncsolást elkészítenie, a roncsolat egy mérőlombikban található, melyet jelre kell önteni. Az így elkészített törzsoldatból 10 cm 3 -t Erlenmeyer lombikba kell mérni. 2. Ismert koncentrációjú S oldatok (standard oldatok)elkészítése A, 100 cm 3 (NH 4 ) 2 SO 4 - oldat készítése, mely 1 cm 3 -je 1 mg S-t tartalmaz B, A törzsoldatból 200cm 3 -es mérőlombikokba a következő koncentrációjú oldatokat készítjük: 0 µg S/cm 3 (desztillált víz), 5 µg S/cm 3,, 10 µg S/cm 3, 15 µg S/cm 3, 20 µg S/cm 3. A standard oldat sorozatból 10-10 cm 3 -t mérünk ki Erlenmeyer lombikokba. 3.) Kolloid oldat készítése a növényi törzsoldatból és standard oldatsorozatból A törzsoldatok és kalibráló oldatok 10-10 cm 3 -éhez 2 cm 3 10 %-os BaCl 2 -reagenst adunk, amely Tweent tartalmaz (2 g/100 cm 3 ). Hozzáadunk még1 cm 3 sósavas hidroxil-amint (NH 2 OH * HCl) is adagolunk minden oldatba. A Tween és a hidroxil amin kolloidstabilizáló hatású szerek, amelyek a képződött bárium-szulfát csapadék kiülepedését meggátolják. Az oldatokat 1 óra hosszat állni hagyjuk, majd 400 nm hullámhosszúságú fénnyel mérjük az oldatok pszeudoabszorbanciáját. 28
4) Turbidimetriás mérés: A mérés spektrofotométerrel történik. A mérés előtt a hullámhosszat 400nm-re állítjuk. Először a vakpróbára nullázuk a műszert. Ezt követően a különböző ismert koncentrációjú oldatok pszeudoabszorbanciáját mérjük meg. A mérést mindig a legkisebb koncentrációjú kalibráló oldattal kezdjük és haladunk a nagyobb koncentrációjúak felé. A meghatározáshoz 4 µg S/cm 3 30 µg S/cm 3 közötti koncentrációtartományba eső kalibráló oldatokat használunk. A kalibráló oldatsorozat pszeudoabszorbanciájának mérése után megmérjük a növényi törzsoldatok pszeudoabszorbanciáit 5. Kalibrációs görbe felvétele és kiértékelése Milliméterpapíron történik. A 3.5. pontban leírtak alapján. 6. A növény S- tartalmának kiszámítása A grafikonról leolvasott S koncentrációból - a bemérést és a hígításokat figyelembe véve számítjuk a a növényi minta S-tartalmát. Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! III. A gyakorlathoz kapcsolódó számítási feladatok: Készítsen (NH 4 ) 2 SO 4 -ból 500 cm 3 oldatot, mely 1 cm 3 -je 1 mg S-t tartalmaz Ha 1 cm 3 oldatban van 1 mg S akkor 500 cm 3 oldatban van 500 mg S M((NH 4 ) 2 SO 4 ) = 132 g/mol Ha 32gS 132g (NH 4 ) 2 SO 4 ban van 0,5g S xg (NH 4 ) 2 SO 4 -ban van x = (0,5/32) x 132 = 2,0625g 2,0625 g (NH 4 ) 2 SO 4 -t kell 500 cm 3 -re hígitani. Mintafeladat a 2B részhez: Készítsen 100 cm 3 oldatot az előbbi törzsoldatból mely koncentrációja 15µg S /cm 3. Ha 1 cm 3 oldatban 15 µg S van Akkor 100 cm 3 oldatban 1500 µg S = 1,5 mg van, tehát 1,5 cm 3 törzsoldatot kell felhígítani 200 cm 3 -re. Mintafeladat a 6. részhez: A kiadott minta S koncentráció-ja 12 µg S/ cm 3. Ennek alapján számítsa ki a növény S koncentrációját százalékban! 29
1g növényi mintából 100 cm 3 roncsolatot nyertünk, ennek a roncsolatnak a 10 cm 3 -ét használtuk a mérés során. Ha 10 cm 3 oldatban 120 µg S van Akkor 100cm 3 oldatban 1200 µg S van. 1g növény 1200 µg S -t tartalmaz 100g növény tehát 120000 µg =120mg =0,12g S-t tartalmaz A növény kén-tartalma tehát 0,12%. 30
Környezeti minta Ca-, Mg-tartalmának meghatározása atomabszorpciós spektrometriával I. Elméleti alapok 1. Az atomaabszorpciós spektrometria (AAS) elve Az AAS technika gázállapotú szabad atomok fényelnyelésén alapszik. Széles körben alkalmazott módszer, mellyel leginkább fém oldatok koncentrációját mérjük (pl. Ca, Mg-, Mn-, Fe-, Cu-, Zn-, Pb-oldat). Az egyes elemek gázállapotú szabad atomjai csak bizonyos hullámhosszúságú fényt képesek elnyelni. A folyamat során az atomok vegyértékelektronjait a megfelelő hullámhosszúságú fotonok gerjesztik, és így az atom alapállapotból egy magasabb energiaszintű állapotba kerül. A két kvantumállapot közötti E energiakülönbség a Bohr féle frekvenciatétel szerint csak meghatározott energiával pl. az adott hullámhosszúságú fénnyel fedezhető. E energiakülönbség és így az adszorbeált fény frekvenciája illetve hullámhossza jellemző az egyes elemekre. Ábra: Az atom fényelnyelése A fényelnyelés törvénye (Lambert-Beer) a gázállapotú szabad atomokra is érvényes. Eszerint, ha szabad atomok homogén rendszerét egy bizonyos hullámhosszú fénnyel világítjuk meg, a fény egy része elnyelődik. A fényelnyelés mértéke egy bizonyos elem atomkoncentrációjával arányos. Az atomabszorpciós spektrometriás (AAS) mérés: A méréshez gázállapotú szabad atomokat kell előállítani a mintából. Ezért a vizsgálandó oldatot atomizáló egységbe jutatjuk. Az atomizáló egység működhet lánggal magas hőmérsékleten (2200-4700K), vagy elektromos úton. Eszerint megkülönböztetünk láng-aas és grafitkemencés méréstechnikát. A grafitkemencés technikánál a vizsgált oldatot elektromos árammal, nemesgáz atmoszférában felfűtött grafitcsőbe helyezzük. A módszer előnye, hogy kisebb koncentrációk is mérhetőek vele, mint a lángban való atomizálással. Hátránya, hogy lassú a mérés, így sorozatmérésre nem alkalmas. A gyakorlat további részében a láng-aas módszert tárgyaljuk. 31
A láng AAS készülék felépítését az alábbi ábra mutatja Az oldatmintát pneumatikus porlasztással aeroszollá alakítjuk és állandó sebességgel a lángba juttatjuk. A láng előállítására levegő és acetilén elegyét használunk. A láng hőmérsékletén (2500-3000 K) a minta komponensei elpárolognak, disszociálódnak és kialakul a lángban az oldatkoncentrációval arányos stacioner szabad atom koncentráció. Ha a lángban képződött szabad atomokat megvilágítjuk egy a mérendő elemre jellemző hullámhosszúságú fénnyel, akkor a mérendő elem atomjai a fény egy részét elnyelik. Ideális esetben a fényelnyelés (abszorbancia) egyenesen arányos a szabad atom koncentrációval és így az elem oldatbeli koncentrációjával is. A megfelelő hullámhosszúságú fény vájtkatódlámpa segítségével állítható elő. Minden egyes meghatározandó elemre külön vájtkatódlámpát használunk. A láng-aas gyors és olcsó módszer, melynek kimutatási határa kb 0,1 mg/l. Hátránya, hogy egy-két nagyságrenddel rosszabb a kimutatási határ, mint a grafitkemencés módszernél. Az AAS készülék főbb részei: - Fényforrás (vájtkatód lámpa) és hozzá kapcsolódó tápegység. - Atomizáló egység (láng, grafitkemence vagy kvarckemence) - Mintabeviteli egység - Optikai egység - Érzékelő (detektor: pl: fotoelektron-sokszorozó, mely a fényjelet elektromos jellé alakítja)) - Jel- és adatfeldolgozó egység vagy számítógép 32
Fényforrás: Az AAS technikában adott hullámhoszzúságú fénnyel kell megvilágítani a mérendő minta szabad atomjait. Fényforrásként gyakran vájtkatód lámpát használunk, mely a mérendő elemre jellemző hullámhosszúságú fényt állít elő. Ez egy kisülési cső, amelynek katódja a meghatározandó elemből készült vagy azzal van bevonva Vájtkatód lámpa Atomizáló egység: A láng előállításához un. pillangóégőt használunk. Ennek alakja hosszúkás, hogy a belépő fény minél tovább tartózkodjon a lángban és ezáltal a fényelnyelés mértéke is megfelelően nagy legyen. A láng hőmérséklete 2500-3000 K. A láng szerepe, hogy előállítsa a gázállapotú szabad atomokat Mintabeviteli egység: Szerepe, hogy a vizsgált oldatot beporlassza az atomizáló egységbe. A vizsgálandó oldat egy vékony csövön keresztül felszívódik, és egy ködkamrába jut ahol elkeveredik a sűrett levegővel és az acetilénnel is. A ködkamrában finom eloszlású aeroszol képződik. A lángba tehát a növényi minta oldatának apró cseppjei, levegő, acetilén keverék érkezik. Optikai egység un. monokromátor, mely a láng fényét és egyéb zavaró fényket megszűri, azaz csak a mérendő elemre jellemző hullámhosszúságú fényt engedi tovább. Érzékelő pl: fotoelektron-sokszorozó, mely a fényjelet elektromos jellé alakítja 33
3. Az atomabszorpciós mérés lépései növényi minták esetén: 3.1.mintaelőkészítés A légszáraz növényi mintát finomra őröljük, majd 105ºC-on súlyállandóságig szárítjuk. A növényi mintaelőkészítés célja, hogy a száraz növényi őrleményből a vizsgálandó anyagot a oldatba vigyük, amely már alkalmas a kémiai analízisre. Az atomabszorpciós mérés során száraz és nedves úton egyaránt előkészíthetjük a mintát. 3.1.1.Roncsolás nedves úton: A növényi anyaghoz tömény kénsavat vagy salétromsavat adunk. A roncsolás hatásfokát hidrogén-peroxid hozzáadásával növeljük. Az elegyet forraljuk, míg átlátszó oldatot nem kapunk. Katalizátorként leggyakrabban Hg-t, Se-t, vagy CuSO 4 -ot alkalmaznak. A nedves minta előkészítés lépései: 3.1.2.Roncsolás száraz úton: A növényi anyagokat 450-550 ºC-on izzítókemencében hamvasztjuk mindaddig, míg a szerves anyagok teljes mértékben oxidálódnak. A szénrészecskék könnyebb oxidációját HNO 3 -val való megcseppentéssel segítjük elő. A hamuban az izzítás hőmérsékletén nem illékony alkotórészek maradnak vissza. A növényi hamut híg savval (HCl, HNO 3 ) visszük oldatba. Az elhamvasztott minta törzsoldatából pl. Ca- és Mg-tartalmat és mikroelem (Fe, Mn, Zn, Cu és B)-tartalmat határozhatunk meg. A növényi roncsolatból készített törzsoldatból közvetlenül mérhető a növényi anyag Fe-, Mn-, Zn-, Cu-tartalma. A Ca- és a Mg-tartalmat megfelelő hígítással és a zavaró ionok hatásának kiküszöbölésével mérjük. 3.2. Standard oldatok készítése: A standard oldatok ismert koncentrációjú oldatok, melyek a vizsgálandó anyagot növekvő koncentrációban tartalmazzák. A standard oldat első tagja nem tartalmazza a mérendő elemet. 3.3. Atomabszorpciós mérés Mérés előtt kiválasztjuk a mérendő elem vájtkatód lámpáját és a műszert beállítjuk a vizsgálandó anyagra jellemző hullámhosszra. A vak oldatra lenullázzuk a műszert és lemérjük a standard sorozat tagjainak abszorbanciáját növekvő sorrendben. Ezután lemérjük az ismeretlen minták abszorbanciáját is. 3.5. Az atomabszorpciós mérés kiértékelése Történhet grafikus úton milliméter papír segítségével, vagy számítógépen. 34
Mindkét esetben először ábrázoljuk a standard sorozat tagjainak abszorbanciáját a koncentráció függvényében, és a pontokra egyenest illesztünk. Az így kapott egyenest kalibrációs egyenesnek nevezzük. Ha milliméter papíron értékeljük az adatokat, akkor az ismeretlen abszorbanciáját rávetítjük az illesztett egyenesre és onnan levetítjük az x tengelyre. Ábra: A kalibráló görbe, és az eredmények kiértékelése grafikus úton Ha számítógéppel értékeljük az adatokat akkor az illesztésnél egy regressziós egyenletet kapunk, mely leírja a koncentráció és abszorbancia kapcsolatát. Ebből az egyenletből visszaszámoljuk a koncentrációt. 3.6. Számítás A roncsolat koncentrációjából kiszámoljuk, hogy a növény mennyi vizsgálandó anyagot tartalmazott. II. Feladat: Szükséges reagensek: 10 g Sr/l-es stroncium-klorid oldat: 30,42 g SrCl 2 x 6 H 2 O-t bemérünk és desztillált vízzel 1000 ml-re egészítjük ki, azaz ebben oldjuk. Mg-kalibráló oldatok: Olyan oldatsorozat, mely koncentrációja Mg-ra nézve a következő 0 mg Mg/dm 3, 0,2 mg Mg/dm 3,, 0,4 mg Mg/dm 3, 0,8 mg Mg/dm 3, 1,5 mg Mg/ dm 3. Ca-kalibráló oldatok: Olyan oldatsorozat, mely koncentrációja Ca-ra nézve a következő 0 mg Ca/dm 3, 3 mg Ca/dm 3,, 7 mg Ca/dm 3, 11 mg Ca/dm 3,15 mg Ca/ dm 3 Szükséges eszközök: 6 db 100 cm 3 -s mérőlombik, 1 db 50 cm 3 -s mérőlombik, 2 db főzőpohár, 1db 10 cm 3 -s osztott pipetta, mérőhenger atomabszorpciós spektrofotométer, 5 kémcső. A meghatározás menete: Ca és Mg tartalom mérése: 35
1.Mintaelőkészítés 1 g kiszárított és megőrölt növényi anyagot Kjeldahl lombikba mérünk és hozzáadunk 10 ml cc. HNO 3 -at, ezt követően egy éjszakán állni hagyjuk. Másnap 10 ml 30 %-os H 2 O 2 -dal egészítjük ki és gázlángon fülke alatt melegítjük. A melegítést addig folytatjuk, míg a lombik tartalma elszíntelenedik. Szükség esetén a hidrogén-peroxid adagolást megismételjük. Ilyenkor meg kell várni, míg az oldat kihűl, mert ellenkező esetben az oldat erősen habzik. A roncsolás befejezése után a lombik tartalmát lehűtjük és 100 ml-es mérőlombikba mossuk. A lombikot jelig töltjük, összerázzuk és ha szükséges szűrjük. A törzsoldat egy részét használjuk fel a desztilláláshoz. Az 1. feladatrészt a gyakorlatvezetők előkészítik, a hallgatónak nem kell a roncsolást elkészítenie, a roncsolatot csak fel kell hígítani 100 cm 3 -re. 2.) A növényi törzsoldatok előkészítése a méréshez: A elkészített törzsoldatból közvetlenül mérhető a növényi anyag Fe-, Mn-, Zn-, Cu-tartalma. A Ca- és a Mg-tartalmat megfelelő hígítással és a zavaró ionok hatásának kiküszöbölésével mérjük (a zavaró két- vagy többértékű anionok, pl. szulfát-, foszfát-ionok hatását stronciumklorid hozzáadásával megelőzzük). A nagy feleslegben adagolt stroncium-klorid biztosítja, hogy a lángban nem képződnek termostabil kalcium- és magnézium-vegyületek. A növényi anyag Ca-tartalmának meghatározása általában 10-szeres hígítású oldatból végezhető el. Ehhez 5 cm 3 törzsoldatot 5 cm 3 sósavas stroncium-klorid oldatot 50 cm 3 -es mérőlombikba mérünk és desztillált vízzel jelig öntjük. A hígított oldatban a Sr-koncentráció 1 g Sr/l, amely elegendő a zavaró ionok hatásának kiküszöbölésére. A növényi anyag Mg-tartalmának meghatározása általában 100-szoros hígítású oldatból végezhető el. Ehhez 1 cm 3 törzsoldatot 10 cm 3 sósavas stroncium-klorid oldatot 100 cm 3 -es mérőlombikba mérünk és desztillált vízzel jelig öntjük. A Sr-koncentráció ebben az esetben is 1 g Sr/l. 3. Standard oldatok elkészítése: A magnézium méréshez a standard sor biztosítva lesz, viszont a Ca méréshez szükséges oldatokat a hallgatók készítik el. Adott 100 cm 3 100 mg Ca/dm 3 koncentrációjú törzsoldat, melyből 100 cm 3 -es mérőlombikokba a következő koncentrációjú oldatokat készítjük el: 0 mg Ca/dm 3, 3 mg Ca/dm 3,, 7 mg Ca/dm 3, 11 mg Ca/dm 3,15 mg Ca/dm 3. Az oldatokhoz bemérjük a szükséges törzsoldatot, majd mindegyik lombikba bemérünk 10 cm 3 sósavas stroncium-klorid oldatot (melyet a növényi roncsolathoz is hozzáadtunk.) 36
4.) Atomabszorpciós spektrometriás mérés: A megfelelő vájt katódlámpa felfűtése után a jellemző hullámhosszat beállítjuk a műszeren, ezt követően a készüléket desztillált vízzel (vakpróba) nullázuk. A mérést mindig a kalibráló oldatok abszorbanciájának mérésével kezdjük, majd a növényi minták abszorpcióit olvassuk le a műszerről Amikor egy elemet megmértünk, egy másik vájt katódlámpát fordítunk a láng síkjába, beállítjuk a rá jellemző hullámhosszt, majd mérjük a kalibráló oldatok és a növényi minták abszorpciós százalékait. 5. Kalibrációs görbe felvétele és kiértékelése Számítógéppel történik, melyet oldatok nitrát tartalmának spektrofotometriás mérés adatain keresztül szemléltetünk. A kiindulási adataink a standard oldatok nitrát koncentrációi és a hozzájuk tartozó abszorbancia értékek, valamint az ismeretlenek abszorbancia értékei. Első lépésben az abszorbancia függvényében ábrázoljuk a standard oldatok koncentrációit. Ennek létrehozása a következőképpen történik: A menüből a beszúrás/diagram segítségével elóhívjuk a diagramvarázslót. A felkínált lehetőségek közül a pont diagramot választjuk ki, és a nem összekötött ábrát választjuk, majd továbblépünk. 37
Ezt követően kijelöljük az ábrázolni kívánt adatokat és a következő lépésben elnevezzük a tengelyeket, megadjuk az ábra helyét és ezzel be is fejezzük az ábrakészítést. Ha elkészítettük az ábrázolást, akkor következő lépésben a pontokra egyenest illesztünk. Ha az ábrán a pontok valamelyikére állítjuk az egeret és jobb egér gombbal kattintunk, akkor a program felkínálja a trendvonal illesztés lehetőségét. 38
Erre kattintva megjelenik egy párbeszédablak, melynél beállítjuk az illesztés típusát, majd az egyebek pont alatt beállítjuk a metszéspontot 0-ra, ill. hogy látszódjon az egyenlet és az R- négyzet értéke. Az R-négyzet értéke azt mutatja meg, hogy az értékeink milyen mértékben térnek el a trendvonaltól. Ez az érték minél közelebb áll az 1-hez, annál pontosabb az illesztésünk. A kapott regressziós egyenletet felhasználjuk az ismeretlen oldatok koncentrációjának kiszámításához. A koncentráció értékek az x értékének felelnek meg, a jel az y értékének felel meg. Cél, hogy az egyenlet segítségével kifejezzük az x értékét. Példával levezetve a következő: c 1 = 0,421 / 0,0731 = 5,76 mg/dm 3. 6. A növény Ca- és Mg-tartalmának kiszámítása A grafikonról leolvasott Ca- és Mg-koncentrációból - a bemérést és a hígításokat figyelembe véve számítjuk a a növényi minta Ca és Mg-tartalmát. Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! 39