OZNACZANIE ŻELAZA W WODZIE GRUNTOWEJ

Cel

Oznaczanie zawartości jonów żelaza(III) w próbkach wody metodą spektrofotometryczną.

Wprowadzenie

W środowisku słabo kwaśnym, jony żelaza(III) tworzą z jonami tiocyjanianowymi (rodankowymi) SCN^– czerwonobrunatne, intensywnie zabarwione związki kompleksowe. Reakcja kompleksowania przebiega stopniowo, z utworzeniem Fe(SCN)²⁺, Fe(SCN )₂⁺ itd. aż do Fe(SCN)₆^3–. O tym, które z kompleksów przeważają w roztworze, decydują stężenie reagentów i pH środowiska. W roztworach rozcieńczonych, z jakimi zwykle ma się do czynienia podczas oznaczeń spektrofotometrycznych, oraz przy porównywalnych stężeniach wyjściowych jonów żelaza(III) i jonów tiocyjanianowych przeważa jon Fe(SCN)²⁺. Zwiększanie stosunku molowego SCN^– do Fe³⁺ powoduje powstanie związków o wyższej liczbie skoordynowanych jonów SCN^– i o bardziej intensywnym zabarwieniu. Dlatego podczas oznaczeń spektrofotometrycznych należy stosować roztwory o takim samym stężeniu jonów tiocyjanianowych, aby uzyskać powtarzalne wyniki. Roztwory powinny mieć odczyn słabo kwaśny (nieco poniżej pH = 3), aby zapobiec hydrolizie jonów żelaza(III) do trudno rozpuszczalnego wodorotlenku żelaza(III) Fe(OH)₃.

Podstawą ilościowego oznaczenia zawartości żelaza w próbce wody jest pomiar absorbancji roztworu, do którego dodano jonów tiocyjanianowych. W ten sposób można oznaczyć zawartość jonów żelaza(III) lub całkowitą zawartość żelaza po uprzednim utlenieniu jonów żelaza(II) do żelaza(III). W oznaczeniu przeszkadzają aniony tworzące z jonami Fe³⁺ trwałe kompleksy: jony fluorkowe, fosforanowe, cytrynianowe i szczawianowe. Badany roztwór nie powinien również zawierać jonów metali tworzących barwne kompleksy w warunkach reakcji, np. kobaltu, chromu, molibdenu, czy tytanu.

Odczynniki

• Tiocyjanian amonu NH₄SCN
• Kwas azotowy(V) HNO₃
• siarczan(VI) amonu żelaza(III) dodekahydrat (NH₄)(SO₄)₂ · 12 H₂O

Materiały i sprzęt laboratoryjny

• spektrometr Spektra^TM
• blistry
• plastikowe buteleczki z zakraplaczem
• kolbki miarowe poj. 50 cm³
• pipeta 25 cm³

Zagrożenia

	Kwas azotowy(V) ma właściwości żrące. Unikaj kontaktu ze skórą i wdychania oparów. R: 8-35, S: 23-26-36-45.
	Tiocyjanian amonu jest substancją szkodliwą. Działa szkodliwie na drogi oddechowe, w kontakcie ze skórą i po spożyciu. R: 20/21/22, 32, 52/53; S: 13, 61.

Procedura

1. Przygotowanie roztworów wzorcowych

W kolbkach miarowych o pojemności 50 cm³ sporządzamy roztwory o odpowiednich stężeniach, poprzez zmieszanie odpowiedniej ilości roztworu podstawowego z 5 cm³ roztworu tiocyjanianu amonu NH₄SCN (20%) i 2 cm³ roztworu kwasu azotowego HNO₃ (2 mol dm^-3), a następnie dopełnienie wodą dejonizowaną do kreski (proporcje poszczególnych składników zawarte w poniższej tabeli).

Roztwór podstawowy żelaza – wodny roztwór siarczanu(VI) amonu żelaza(III) dodekahydratu (ałunu żelazowo-amonowego) Fe(NH₄)(SO₄)₂ · 12 H₂O o stężeniu 0,01 mg Fe cm^-3.

2. Dobór odpowiedniej diody

Aby dobrać odpowiednią diodę (długość fali promieniowania widzialnego) do zagłębienia blistra wprowadzamy 10 kropli roztworu sporządzonego z roztworu o stężeniu 0,003 mg Fe cm^-3. Następnie dokonujemy pomiaru transmitancji dla każdej z diody z osobna. Pomiary wykonujemy względem wody dejonizowanej (nalewamy kilka kropel do innego zagłębienia blistra). Do dalszych pomiarów wybieramy tą diodę, dla której wartość zmierzonej transmitancji jest najniższa (czyli absorbancja jest najwyższa!).

3. Pomiar transmitancji roztworów żelaza sporządzonych w pkt. 1

Dla każdego roztworu jonów żelaza(III) (pięć roztworów z tabeli w pkt. 1, po 10 kropli w zagłębieniu blistra) wykonać po trzy pomiary transmitancji używając diody dobranej w pkt. 2. Otrzymane wartości transmitancji zamieścić w tabeli, a następnie przeliczyć na wartości absorbancji (zgodnie ze wzorem A = -log(T/100) lub odczytać wartości z tabeli w załącznikach). Obliczyć wartości średnie absorbancji dla trzech pomiarów. Pomiary transmitancji wykonać względem wody dejonizowanej jako próbki odniesienia.

Wyniki pomiarów

4. Sporządzenie krzywej wzorcowej

Na podstawie danych w tabeli z pkt. 3 (tzn. wartości stężeń roztworów i wartości średnich absorbancji) sporządzić wykres krzywej wzorcowej, tzn. zależności absorbancji od stężenia roztworu (A = f(c). Wykres sporządzić przy użyciu programu Microsoft Excel.

5. Wyznaczenie stężenia żelaza(III) w próbce wody gruntowej

Odmierzyć 25 cm³ wody gruntowej do kolbki miarowej o pojemności 50 cm³, dodać 5 cm³ roztworu NH₄SCN (20%) i 2 cm³ roztworu HNO₃ (2 mol dm^-3), a następnie uzupełnić wodą dejonizowaną do kreski. Dla tak otrzymanego roztworu wykonać pięć pomiarów transmitancji używając diody dobranej w pkt. 2 (10 kropli w zagłębieniu blistra). Otrzymane wartości transmitancji zamieścić w tabeli, a następnie przeliczyć na absorbancję (zgodnie ze wzorem A = -log(T/100) lub odczytać wartości z tabeli w załącznikach). Przeliczone wartości absorbancji uśrednić.

Następnie obliczyć stężenie jonów żelaza(III) w próbce wody gruntowej, na podstawie równania krzywej, w następujący sposób:

c = 2 · A/a

a – współczynnik kierunkowy krzywej wzorcowej
A – wartość średnia abosrbancji
c – stężenie żelaza w próbce wody gruntowej wyrażone w mg Fe cm^-3
2 – współczynnik rozcieńczenia

6. Wyznaczenie powtarzalności pomiarów

Obliczyć względne odchylenie standardowe (RSD) zgodnie z poniższymi wzorami.

gdzie

RSD – względne odchylenie standardowe (relative standard deviation)
S – odchylenie standardowe
x_i – wartość pojedynczego wyniku oznaczenia
x_śr – średnia arytmetyczna z uzyskanych wyników
n – liczba uzyskanych wyników (liczba wykonanych pomiarów)

Literatura

• „Chemia Analityczna.Cz. III” J. Minczewski, Z. Marczenko, PWNN, Warszawa 1985.
• „Ocena i Kontrola Jakości Wyników Analitycznych”, CEEAM, Gdańsk 2004.

Opracowanie: Tomasz Chmiel, Tomasz Dymerski, Technikum Przemysłu Spożywczego i Chemicznego w Gdańsku

Redakcja i korekta: Marek Kwiatkowski, Wydział Chemii Uniwersytetu Gdańskiego