Спектрофотометрическое определение ионов меди в присутствии ионов железа

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Воронежский Государственный Университет»

Химический факультет

Кафедра аналитической химии

 

 

Спектрофотометрическое определение ионов меди в присутствии ионов железа

Курсовая работа

по направлению 020100 Химия

 

 

 

 

Выполнила:	студентка 3 курса 3 группы Свиридова В.Е.
Проверил:	Проф. Хохлов В.Ю.

 

 

 

 

 

 

Воронеж 2014

Содержание

Введение …………………………………………………………………………..3

Глава 1. Обзор литературы……………………………………………………….5

    1.1.Методы молекулярного абсорбционного спектрального анализа………5

    1.2. Физико-химические методы определения ионов металлов………….....7

    1.3. Хроматографические методы определения катионов металлов………..8

    1.4. Определение ионов металлов методом капиллярного электрофореза..10

Глава 2. Объекты и методы исследования…………………………….……….13

    2.1.1. Раствор сульфата меди……………………………………………...….13

    2.1.2. Раствор хлорида железа………………………………………………..13

    2.1.3. Приготовление стандартных и рабочих растворов…………………..14

    2.2.1. Снятие спектральных характеристик стандартных растворов CuSO4 и FeCl3…………………………………………………………………………...… 14

    2.2.2. снятие спектров  поглощения рабочих растворов  с разными концентрациями ионов  меди (II)…………………………………..……………15

    2.2.3. Построение  градуировочного графика………………………..………15

Глава 3. Обсуждение результатов………………………....................................16

Выводы……………………………………………………………………..…….18

Список используемой литературы……………………………………………...19

 

 

 

 

 

 

 

Введение

          По развитым ранее представлениям [1] растворение металлов при катодной поляризации возможно только в присутствии окислителей (H2O2, MnO-4, Cr2O72-, NO-3, NO-2 и др.). При катодных потенциалах анодное растворение металлов запрещено термодинамикой, однако, если на поверхность металла восстанавливается кислородосодержащий окислитель, то такое растворение возможно.  Процесс растворения при катодных потенциалах осуществляется благодаря генерации высоактивных гидроксидных ионов при восстановлении окислителя. Например, пероксида водорода :

H2O2 + 2e- → 2(OH-)*.

         Образовавшиеся ионы (OH-)* передают часть электрохимической свободной энергии процессу генерации металла. В итоге можно говорить о кажущемся нарушении  термодинамических законов.

         Исследовании меди при катодных потенциалах проводится при наличии в растворе ионов-окислителей Fe3+. Ионы Fe3+ не являются кислородосодержащими и их восстановление не сопровождает образование ионов (OH-)*:

Fe3+ + e- → Fe2+.

         Для осуществления таких  исследований требуется методы определения следовых количеств ионов Cu2+ в растворе со значительным содержанием ионов Fe3+ (0,01М).

        Целью настоящей работы являлось спектрофотометрическое определение ионов меди в присутствие ионов железа.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Снятие спектральных характеристик стандартных растворов содержащих ионы меди(II) и ионы железа(III);
2. Снятие спектров поглощения рабочих растворов с различной концентрацией ионов меди (II);
3. Построение градировочного графика.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Обзор литературы

Существует множество различных методов определения ионов металлов. Основными являются: атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС) , атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС)[2], масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС)[3], высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), ионная (ИХ), ионообменная (ИОХ), ион-парная (ИПХ) хроматография[4], вольтамперометрия[5], проточно-инжекционный анализ (ПИА)[6].

1. Метод молекулярного абсорбционного спектрального анализа

         Метод абсорбционного спектрального анализа отличается высокой абсолютной и относительной чувствительностью и позволяет с большой точностью определять в растворах до 70 элементов в малых концентрациях (10-4 – 10-9 % масс.), поэтому он широко применяется в биологии, медицине, геологии, а также в металлургии для контроля технологических процессов.

        Молекулярно-абсорбционные методы основаны на изменении уменьшения интенсивности электромагнитного излучения, прошедшего через анализируемое вещество.

        В зависимости от области оптического диапазона и способа измерения ширины полосы измеряемого излучения различают следующие молекулярно-абсорбционные методы: колориметрию – сравнение окраски анализируемого и стандартного раствора вещества визуальным способом; фотометрию – измерение интенсивности светового потока, прошедшего через раствор вещества, фотоэлектрическим способом; спектрофотометрию – измерение интенсивности  монохроматического (определенной длины волны) светового пока, прошедшего через раствор вещества, фотоэлектрическим способом.

        В зависимости от длины волны различают: спектрофотометрию в ультрафиолетовой(УФ), видимой(В) и инфракрасной(ИК) области спектра.

Основной закон светопоглощения(Закон Бугера-Ламберта-Бера)

        Если каждая молекула вещества поглощает квант света, очевидно, что при прохождении света через слой вещества число поглощенных квантов будет зависеть от количества молекул. Интенсивность излучения будет уменьшаться и тем больше, чем выше концентрация светопоглощающего вещества.

       Уменьшение интенсивности света, прошедшего через раствор, характеризуется пропусканием Т (коэффициентом пропускания):

,                                                              (1)

где I и I0 соответственно интенсивность света, прошедшего через раствор и растворитель.

        Взятый с обратным логарифмом Т называют оптической плотностью А.

Закон Бугера-Ламберта-Бера связывает  уменьшение интенсивности света, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией вещества и толщиной слоя:

,                                                         (2)

где ε – молярный коэффициент поглощения; l - толщина светопоглощающего слоя; c - концентрация раствора.

         Закон Бугера-Ламберта-Бера, записанный в форме уравнения (2), в химическом анализе непосредственно не применяется. В лабораторная условия нет удобного способа измерения ни I, ни I0, поскольку изучаемый раствор должен находится в каком-либо сосуде (кювете). Чтобы учесть потери света на отражение и рассеяние, сравнивают интенсивность света, прошедшего через исследуемый раствор (I), с интенсивностью света, прошедшего через кювету с растворителем (холостым раствором I0). Таким образом,

;                           (3)

 

        Физический смысл ε становится ясным, если принять l=1см и с=1моль/л, тогда А=ε. Следовательно, молярный коэффициент поглощения равен  оптической плотности однополярного раствора при толщине слоя 1 см. молярный коэффициент поглощения является основной характеристикой поглощающего слоя соединения; ε – не зависит от концентрации при условии соблюдения закона Бугера-Ламберта-Бера. Абсолютную величину молярного коэффициента поглощения можно вычислить:

                                                   (4)

        Его размерность – л/моль*см. теоретически максимально возможное значение молярного коэффициента поглощения  составляет ελ ≈n*105. Обычное значение ε для соединений, используемых в спектрофотометрии, имеют порядок 102-105.

       Закон светопоглощения применим к растворам, содержащим несколько поглощающих веществ, при условии, что меду ними отсутствует взаимодействие. Тогда для многокомпонентной системы

         (5)

Другими словами, суммарное поглощение при данной длине волны:

                                     (6)

        Принцип аддитивности положен в основу анализа смесей окрашенных веществ смесей окрашенных веществ. Так, измеряя поглощение смесей двух окрашенных веществ, при двух значениях длин волн и зная их молярные коэффициенты поглощения, можно составить два уравнения с двумя неизвестными (конценрации поглощающих веществ). Решение системы уравнений позволяет найти концентрации обоих веществ[4].

1.2 Физико-химические методы определения ионов металлов

Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ICP/MS, ИСП/МС) развилась в один из наиболее перспективных методов благодаря высокой чувствительности и возможности выполнения многоэлементного анализа[7].

При комбинировании с методом изотопного разбавления ИСП/МС высокого разрешения можно получить столь высокую точность при характеристике эталонных стандартных образцов, которые недоступны другим аналитическим методам и их комбинациям[8].

Наиболее общим и универсальным методом определения ионов металлов является ионообменная хроматография, в основе которой лежит процесс обмена между ионами анализируемого раствора и подвижными ионами того же знака ионообменника. Развитие высокоэффективной жидкостной хроматографии высокого давления стимулировало развитие ионной хроматографии, включающей кондуктометрическое определение хроматографически разделенных ионов[9].

Все большее распространение при определении катионов металлов получают методы проточно-инжекционного анализа (ПИА)[10] и метод капиллярного электрофореза (КЭ) с фотометрическим детектированием[11].

В 90-х г. был предложен метод электроинжекционного анализа (ЭИА), совместивший в себе основные достоинства ПИА и КЭ[12]. В ЭИА фотометрируемые комплексы металлов с органическими реагентами образуются непосредственно в капилляре и разделяются за счет различий в их электрофоретических подвижностях. В случае КЭ и ЭИА становится возможным многокомпонентное определение, а использование фотометрических реагентов приводит к снижению пределов обнаружения аналитов.

1. 3. Хроматографические методы определения катионов металлов

До сих пор наиболее широко используемыми методами многокомпонентного анализа с использованием фотометрических реагентов остаются – хроматографические[13]. Возможны три варианта: 

– хроматографическое определение после концентрирования ионов металлов на предколонке, заполненной сорбентом, модифицированным фотометрическим реагентом;  

– введение реагента в состав элюента для повышения селективности разделения и снижения предела обнаружения;  

– постколоночное добавление реагента в поток элюата для проведения чувствительного фотометрического определения.

В первом случае схема определения аналогична схеме сорбционного концентрирования в ПИА. Широкого применения она не нашла.

Добавление органического реагента в состав подвижной фазы также используется реже, чем постколоночная дериватизация. Одним из первых примеров разделения катионов переходных металлов явилось определение их с хлорсульфоназо методом ионной хроматографии с фотометрическим детектированием(λ=530нм). При использовании в качестве  комплексообразующего агента бис-(изовалерилацетон)этилендиамина предложена методика определения катионов кобальта, меди, железа и платины в фармацевтических препаратах методом ВЭЖХ с УФ-детектированием. Пределы обнаружения  катионов составляли 2,5-5,0 нг.

Постколоночный реагент должен удовлетворять следующим основным требованиям:

– реакция между реагентом и ионом металла должна протекать достаточно быстро;

–  в ходе реакции должен образовываться сильно поглощающий продукт с молярным коэффициентов погашения (ε) > 10000;

– реагент не должен поглощать при длине волны детектирования комплекса;

– реагент и соответствующий комплекс должны быть хорошо растворимы в воде  (или элюенте).

Таким образом, к постколоночному реагенту предъявляются более жесткие требования, чем к реагенту, применяемому в ПИА. Поэтому круг таких фотометрических реагентов в ВЭЖХ значительно ýже, чем в ПИА. Как правило, используются пиридилазорезорцин (ПАР), ксиленоловый оранжевый (КО), арсеназо III, хлорсульфоназо[14] .

       Несмотря на то, что КО образует окрашенные комплексные соединения со многими металлами, он не нашел широкого применения в качестве постколоночного реагента в ионной хроматографии (ИХ), поскольку в зависимости от условий проведения анализа образует с ионами металлов комплексы разной устойчивости и с различным соотношением реагент/Men+, молярные коэффициенты поглощения которых существенно различаются.

На сегодняшний день ПАР является наиболее распространенным пост-колоночным реагентом, способным образовывать комплексные соединения с катионами многих переходных металлов: Mn, Fe(II), Fe(III), Co, Ni, Cu, Zn, Cd,Pb, U, лантаноидами и т.д., максимумы спектров поглощения которых находятся в диапазоне длин волн 500–540 нм, а пределы обнаружения составляют 1–20 нг.

При сложном составе пробы необходимо вводить в раствор аминополикарбоксилатные лиганды для повышения селективности разделения[15]. Показано, что добавление в элюент 0,1 ммоль/дм3 нитрилотриуксусной кислоты (НТА) уменьшает степень взаимодействия ПАР с ионами переходных металлов, но в то же время полностью подавляет его взаимодействие с лантаноидами. Увеличение концентрации НТА до 8,0 ммоль/дм3 приводит к подавлению сигнала фотометрического детектора ко всем ионам металлов за исключением Cu2+ и Co2+. В этих условиях возможно их экспрессное и высокочувствительное определение на уровне 1–3 нг[16].