1

Zastosowane ekstrakcji w punkcie zmętnienia do oznaczania

metali ciężkich w wodzie

Marcin Broniatowski

Spis zagadnień

I. Podstawy spektrofotometrii – przypomnienie 2

II. Surfaktanty 4

II.1. Wiązanie wodorowe 4

II.2. Struktura łańcucha węglowodorowego 4

II.3. Związki powierzchniowo czynne 5

II.4. Podział surfaktantów 6

II.5. Surfaktanty w roztworach wodnych 7

II.6. Temperatura Kraffta vs punkt zmętnienia 9

II.7. Właściwości łańcucha polietoksylowego 10

II.8. Struktura PEO a punkt zmętnienia 11

II.9. Solubilizacja 11

III. Ekstrakcja metali ciężkich z próbek środowiskowych 13

III.1. Zastosowanie roztworów micelarnych w spektrofotometrycznej detekcji metali 14

III.2. Metoda ekstrakcji w punkcie zmętnienia 16

III.3. Trytony 17

III.4. Chelatory w metodzie CPE, analizowane metale 18

III.5. Ditizon 19

IV. Bibliografia 23

V. Wykonanie ćwiczenia 24

V.1. Spektrofotometryczny pomiar w roztworach micelarnych 25

V.2. Ekstrakcja w punkcie zmętnienia 26

VI. Przygotowanie sprawozdania/opracowanie wyników 28

Zagadnienia do kolokwium: podstawy spektrofotometrii, efekt hydrofobowy, surfaktanty:

budowa, klasyfikacja, solubilizacja, jony metali w roztworach micelarnych, rozpuszczalność

surfaktantów w wodzie – temperatura Kraffta, punkt zmętnienia, właściwości łańcuchów

polietoksylowych i surfaktantów z takim fragmentem, ekstrakcja w punkcie zmętnienia,

właściwości ditizonu i jego zastosowanie do analizy metali śladowych.

2

I. Podstawy spektrofotometrii – przypomnienie

Światło widzialne to fala elektromagnetyczna o długości 380 do 770 nm: Poniżej w tabeli 1

podano zależność pomiędzy długością i częstotliwością fali elektromagnetycznej a barwą

promienia świetlnego.

Tabela 1. Zależność pomiędzy kolorem promienia świetlnego a długością fali [1]

Światło białe emitowane przez ciała ogrzane do wysokiej temperatury może być rozdzielone

na barwy składowe za pomocą pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej. Fala świetlna przechodząc z

ośrodka o mniejszym współczynniku załamania (np. powietrze) do ośrodka o większym

współczynniku załamania (np. roztwór wodny) zgodnie z prawami optyki ulega obiciu i

załamaniu. Oko ludzkie widzi przedmioty odbierając promieniowanie od nich odbite.

Przedmioty te mają określoną barwę i jest to tzw. barwa dopełniająca do tej, którą dane ciało

pochłonęło.. Kolory pochłaniany i odbity to tzw. kolory dopełniające się. Zależność pomiędzy

nimi podaje gwiazda kolorów dopełniających się (rys. 1).

3

Rys. 1. Gwiazda kolorów dopełniających się [2]

Jeżeli promień światła o intensywności I0 pada na ciało przeźroczyste, np. kuwetę zawierającą

barwny roztwór, to opuszczając tą kuwetę może mieć taką samą intensywność (I0) lub też

mniejszą I. Intensywność jest mniejsza, jeżeli obiekt pochłania częściowo promieniowanie o

danej długości. Miarą pochłaniania światła przez ośrodek przejrzysty jest absorbancja A

zdefiniowana następującym wzorem: A = logI0/I.

Zgodnie z tym wzorem, jeżeli A = 1, to znaczy, że intensywność światła po przejściu przez

kuwetę spadła dziesięciokrotnie, zaś A = 0, gdy roztwór nie pochłania światła o danej

długości.. Dla roztworów substancji barwnych, w pewnych określonych przedziałach stężeń

tych substancji spełnione jest prawo Lamberta-Beera [3]:

A = εlc,

Gdzie ε – współczynnik ekstynkcji molowej, l – długość drogi optycznej, c – stężenie

substancji absorbującej światło.

Substancje barwne najsilniej absorbują światło o ściśle określonej długości, słabiej światło o

innych długościach fali. Zależność absorbancji (A) od długości fali (λ) nazywamy widmem.

4

II Surfaktanty

II. 1. Wiązanie wodorowe

Woda, czyli tlenek wodoru H2O pozostaje cieczą w szerokim zakresie temperatur od 0 do 100

oC. W odróżnieniu od niej inne wodorki typu H2X: H2S, H2Se i H2Te pozostają gazami w

temperaturze pokojowej. Swoje niezwykle właściwości woda zawdzięcza sieci wiązań

wodorowych utworzonych między jej cząsteczkami. Wiązanie wodorowe to specyficzny

rodzaj oddziaływania międzycząsteczkowego, który może wystąpić między cząsteczkami,

gdy spełnione są następujące warunki [4]:

1) Atom wodoru przyłączony jest do pierwiastka o wysokiej elektroujemności: F (4,0); O

(3,5), N (3,1)

2) Atom o wysokiej elektroujemności posiada wolne pary elektronowe: F (3 pary), O (2 pary)

N (1 para).

Cząsteczka wody spełnia powyższe warunki, ponieważ posiada 2 atomy wodoru

przyłączone do wysoko elektroujemnego atomu tlenu, który posiada dwie wolne pary

elektronowe. Jak łatwo policzyć jedna cząsteczka wody uwspólnia 2 atomy wodoru i 2 pary

elektronowe, przez co tworzy 4 wiązania wodorowe z 4 innymi cząsteczkami wody. W

związku z hybrydyzacją sp3 centralnego atomu tlenu wiązania te rozchodzą się do naroży

tetraedru. Tworzenie 4 wiązań wodorowych przez każdą cząsteczkę wody prowadzi do

powstania ogromnej przestrzennej sieci wiązań wodorowych, która odpowiada za to, że woda

jest cieczą w temperaturze pokojowej i że przedział ciekłości tej substancji jest tak szeroki.

II.2. Struktura łańcucha węglowodorowego

Nasycony łańcuch alkanowy to długi ciąg grup metylenowych CH2 zakończony w pozycjach

terminalnych grupami metylowymi CH3.

CH3CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH3

Rys. 2. Łańcuch oktadekanu

5

Rysując węglowodory łańcuchowe i pierścieniowe często korzystamy ze wzorów

kreskowych, jak na powyższym rysunku. W takim wzorze w każdym wierzchołku

(załamaniu) jest atom węgla. Pamiętamy o tym, że węgiel jest zawsze czterowartościowy,

czyli przy każdym atomie węgla we wzorach kreskowych znajduje się tyle atomów wodoru,

by warunek ten był spełniony. Cząsteczka oktadekanu na rys. 2 została przedstawiona w

postaci rozciągniętego zygzaka. Jest to tzw. konformacja all-trans. Z taką konformacją

spotykamy się w kryształach alkanów, czy w ściśle uporządkowanych monowarstwach. W

fazie ciekłej (stopione alkany) lub w roztworach cząsteczki alkanów zostają „połamane”.

Dochodzi do rotacji wzdłuż niektórych wiązań CH2-CH2 i prosty łańcuch ulega zgięciu.

Miejsce, w którym doszło do zgięcia nazywamy defektem gauche.

Rys. 3. Łańcuch oktadekanu z zaznaczonymi defektami typu gauche.

Dla cząsteczki typu R-(CH2)n-CH3 w konformacji all-trans długość łańcucha

węglowodorowego można policzyć ze wzoru Tanforda: l = 1,265n + 1,5 (Å) [5]. Łańcuch

węglowodorowy obraca się dookoła własnej osi, czyli zakreśla sobą walec obrotowy. Pole

powierzchni przekroju (podstawy) tego walca to około 19 Å2, zaś jego długość wynika z

liczby atomów węgla w łańcuchu. Czyli „niepołamana” cząsteczka alkanu jest długim

walcem o małej powierzchni przekroju. Tego typu walec nazywamy prętem, a opisywane tu

przybliżenie nazywane jest w literaturze przybliżeniem „sztywnego pręta”. Ma ono sens tylko

wtedy, gdy wykluczymy obecność defektów gauche.

II.3. Związki powierzchniowo czynne

Związki powierzchniowo czynne (surface active agents = surfaktanty) to cząsteczki o

budowie blokowej. Posiadają fragment podobny do struktury rozpuszczalnika – fragment

liofilowy i fragment zaburzający strukturę rozpuszczalnika – fragment liofobowy [6].

Ponieważ najczęściej mamy do czynienia z roztworami wodnymi fragment liofillowy

nazywamy hydrofilowym. Fragment ten jest podobny do wody, a więc podobnie jak

cząsteczka wody posiada trwały moment dipolowy, czyli jest polarny. Fragment ten jest

6

zwykle znacznie krótszy od części hydrofobowej, ale zwykle ma większy przekrój, dlatego

też fragment hydrofilowy w surfaktantach nazywany jest głową polarną. Fragmentem

liofobowym = hydrofobowym jest zwykle długi łańcuch węglowodorowy, który nazywamy

ogonem hydrofobowym.

II.4. Podział surfaktantów

Surfaktanty dzieli się przede wszystkim ze względu na ładunek głowy polarnej. Możemy

mieć tu 4 przypadki: na głowie zlokalizowany jest ładunek ujemny – surfaktanty anionowe,

na głowie zlokalizowany jest ładunek dodatni – surfaktanty kationowe, na głowie

zlokalizowane są ładunek ujemny i dodatni rozdzielone niewielkim łącznikiem – surfaktanty

amfoteryczne, na głowie nie ma ładunku – surfaktanty niejonowe. Poniżej przedstawiono

przykłady najważniejszych grup surfaktantów.

S

O

O

O-

n

O

O-

n

OS

O

O

O-

n

N+

n

N+

n

N+ O

O-

n

N+

S

O

O

O-

n

OO

H

n

OO

H

n n

HO O

OH

x y z

Surfaktanty anionowe

LAS - liniowe sulfoniany alkilo-benzenowe

Mydła

Siarczany alkilowe

Surfaktanty kationowe

Sole alkilotrimetyloamoniowe

Sole alkilopirydyniowe

Surfaktanty amfoteryczne

Alkilobetainy

Alkilosulfobetainy

Surfaktanty niejonowe

Etoksylowane alkilofenole

Etoksylowane alkohole alifatyczne

Polimery blokowe typu PEO-PPO-PEO

Rys. 4. Przykłady najczęściej produkowanych i stosowanych surfaktantów

7

II.V. Surfaktanty w roztworach wodnych

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012

35

40

45

50

55

60

65

70

75

(mN

/m)

c (mol/dm3)

Rys. 5. Zależność napięcia powierzchniowego (γ) wodnego roztworu surfaktantu

Surfaktanty mają zdolność samoorganizacji w roztworach wodnych i na granicy faz

woda/powietrze. Siłą sprawczą tych zjawisk jest efekt hydrofobowy. Głowa polarna

surfaktantu silnie oddziałuje z wodą, natomiast hydrofobowy ogon zaburza strukturę wody i

jego usunięcie z roztworu jest korzystne termodynamicznie. 18 węglowy łańcuch alkilowy ma

długość 23 Å i przekrój poprzeczny 19 Å2, a więc w przybliżeniu sztywnego pręta łańcuch

taki ma objętość 437 Å3. Objętość cząsteczki wody wynosi 30 Å3, a więc rozważany tu

łańcuch zajmuje miejsce około 15 cząsteczek wody i przeszkadza w tworzeniu 4*15 = 60

wiązań wodorowych. Wyrzucenie łańcucha na powierzchnię poza fazę wodną przywraca

strukturę wody. Na powierzchni tworzy się monowarstwa adsorpcyjna (monowarstwa

Gibbsa), a napięcie powierzchniowe γ ulega gwałtownemu obniżeniu z rosnącym stężeniem

surfaktantu. Gdy przekrój cząsteczki surfaktantu zrówna się ze średnią powierzchnią dostępną

dla cząsteczki na powierzchni dalsze lokowanie cząsteczek surfaktantu na granicy faz woda/

powietrze staje się niemożliwe. Osiągamy krytyczne stężenie micelizacji cmc. Roztwory o

stężeniu surfaktantu c > cmc są roztworami micelarnymi, czyli cząsteczki surfaktantu w fazie

wodnej agregują tworząc kuliste twory, w których łańcuchy węglowodorowe kierują się do

środka kuli, a głowy polarne pozostają na jej powierzchni. W przybliżeniu promień kuli jest

równy długości cząsteczki surfaktantu. Pojedyncza cząsteczka surfaktantu ma kontakt z około

40 cząsteczkami wody, micela o tych parametrach z około 530. Załóżmy, że micela powstała

8

ze 100 cząsteczek surfaktantu. 100 swobodnie pływających w roztworze wodnym cząsteczek

surfaktantu ma kontakt z 4000 cząsteczek wody, zgrupowane w micele z 530, zysk dla

cząsteczek wody z powstania mieli wynosi 3460 cząsteczek – czyli dzięki powstaniu mieli

3460 cząsteczek wody traci kontakt z surfaktantem i może normalnie utworzyć wszystkie

wiązania wodorowe.

1

2

3

4

Rys. 6. Przekrój przez micelę kulistą: 1 – korona miceli, 2 – warstwa palisadowa, 3 –

zewnętrzna część rdzenia miceli, 4 – wewnętrzna część rdzenia miceli

Micela jest tworem dynamicznym pozostającym w równowadze z monomerami surfaktantu w

roztworze wodnym. Przemieszczając się od powierzchni miceli w stronę jej środka możemy

wyróżnić 4 obszary różniące się hydrofobowością, właściwościami chemicznymi i lepkością.

Obszar głów polarnych mających kontakt z cząsteczkami wody nazywamy koroną miceli,

Początkowe odcinki łańcuchów węglowodorowych w pobliżu głów polarnych to warstwa

palisadowa. Obszar ten może być penetrowany przez cząsteczki wody. W kierunku środka

miceli rośnie zagęszczenie łańcuchów węglowodorowych, które wzajemnie przeplatają się

tworząc obszar o znacznej lepkości i hydrofobowości. Obszar ten nazywamy rdzeniem miceli.

Wyróżnić tu można zewnętrzną część rdzenia oraz wewnętrzną część rdzenia.

Hydrofobowość i lepkość rosną w stronę środka miceli.

9

II.6. Temperatura Kraffta vs punkt zmętnienia

Chcąc sporządzić roztwór micelarny musimy przekroczyć wartość cmc. Zdarza się jednak, że

rozpuszczalność danego surfaktantu w danej temperaturze jest mniejsza niż cmc, surfaktant

zaczyna się wytrącać z roztworu, który staje się mętny. W takim przypadku niemożliwe jest

uzyskanie roztworu micelarnego. Często pomaga podgrzanie roztworu. Temperatura, w której

cmc zrównuje się z rozpuszczalnością surfaktantu nazywa się temperaturą Kraffta [6].

Powyżej tej temperatury tworzą się roztwory micelarne i rozpuszczalność surfaktantu w

wodzie zaczyna gwałtownie rosnąć. Czyli może się zdarzyć, że schłodzenie roztworu

micelarnego poniżej pewnej temperatury powoduje jego zmętnienie i wydzielanie się fazy

bogatej w surfaktant z roztworu. Zjawisko to jest typowe dla surfaktantów jonowych –

anionowych i kationowych.

Dla surfaktantów niejonowych obserwuje się zjawisko przeciwne – podgrzanie roztworu

micelarnego powyżej pewnej konkretnej temperatury powoduje zmętnienie roztworu i

wydzielenie się z niego fazy bogatej w surfaktant. Zjawisko to obserwujemy przede

wszystkim dla surfaktantów niejonowych, a temperaturę, w której roztwór zaczyna mętnieć

nazywamy punktem zmętnienia (cloud point, cp) [6].

Wzrost

temperatury

Rys. 7 Zjawisko zmętnienia roztworów surfaktantów niejonowych. Czerwona kropka na

schemacie oznacza substancję rozpuszczoną w miceli (solubilizat).

10

II.7. Właściwości łańcucha polietoksylowego

Na rysunku 4 możemy zauważyć, że najważniejsze, komercyjnie stosowane surfaktanty

niejonowe posiadają w swoich cząsteczkach fragment –(CH2-CH2-O)n-, czyli fragment

polieterowy, a dokładniej polietoksylowy.

Etery to cząsteczki, w których występuje ugrupowanie -CH2-O-CH2-. Atom tlenu w

cząsteczce eteru zastępuje jedną grupę –CH2- w łańcuchu węglowodorowym. Atom ten

posiada dwie wolne pary elektronowe, ale nie jest do niego przyłączony żaden atom wodoru.

W związku z tym grupa eterowa nie tworzy wiązań wodorowych, co ostatecznie prowadzi do

ograniczonej rozpuszczalności eterów wodzie i ich znacznej hydrofobowości.

Związek o wzorze strukturalnym: HO-CH2-CH2-OH to glikol etylenowy (etan-1,2-diol),

najprostszy alkohol dihydroksylowy. W odpowiednich warunkach glikol ten może podlegać

polikondensacji tworząc liniowe etery polietoksylowe (PEO) HO-(CH2-CH2-O)n-CH2-CH2-

OH. W praktyce polimery takie uzyskuje się poprzez polimeryzację tlenku etylenu

katalizowaną zasadą [7]:

O B: H

OH

n

n

PEO mają zupełnie inne właściwości niż wszystkie inne etery i polietery. PEO bardzo dobrze

rozpuszczają się w wodzie tworząc z nią liczne wiązania wodorowe. Właściwości te wynikają

z unikalnej struktury łańcucha PEO. Łańcuch ten ma strukturę helisy, a odległość pomiędzy

dwoma najbliższymi atomami tlenu jest dokładnie taka sama, jak pomiędzy najbliższymi

atomami tlenu w strukturze lodu [7]. Te parametry geometryczne ułatwiają tworzenie wiązań

wodorowych z cząsteczkami wody i prowadzą do silnej hydratacji cząsteczek PEO w

roztworach wodnych. Mimo swojej hydrofilowości cząsteczki PEO mają zdolność obniżania

napięcia powierzchniowego wody. Gromadząc się na powierzchni eksponują w stronę

powietrza fragmenty –CH2-CH2-, a więc ugrupowanie hydrofobowe, przez co prowadzą do

obniżenia napięcia powierzchniowego.

PEO jest fragmentem strukturalnym większości surfaktantów niejonowych, a także

niektórych jonowych [6]. Przyłączenie fragmentu PEO do cząsteczki surfaktantu zwiększa jej

rozpuszczalność w wodzie oraz aktywność powierzchniową, obniża też znacznie wartość

cmc, w porównaniu z surfaktantami bez fragmentu PEO. Łańcuchy PEO są stabilne

11

chemicznie, ponadto są nietoksyczne. Surfaktanty z fragmentem PEO mogą, więc być

stosowane jako składniki leków, kosmetyków, czy też jako dodatki do żywności. W

środowisku łańcuch PEO ulega łatwej i całkowitej biodegradacji.

PEO jest jedynym polieterem dobrze rozpuszczalnym w wodzie. Eter polimetylenowy:

HO-(CH2-O)n-CH2-OH jest hydrofobowy i nierozpuszczalny w wodzie, eter polipropylenowy

(PPO): HO-(CH2-CH2-CH2-O)n-H jest hydrofobowy i nierozpuszczalny w wodzie. Połączenie

fragmentów PEO-PPO lub PEO-PPO-PEO w polimerze blokowym prowadzi do związków

amfifilowych – polimerycznych surfaktantów [6].

II.8. Struktura PEO a punkt zmętnienia

Podwyższanie temperatury wodnego roztworu surfaktantów z fragmentem PEO prowadzi do

zmian strukturalnych w łańcuchu PEO. Zwiększa się prawdopodobieństwo wystąpienia

dodatkowych defektów gauche, co ostatecznie prowadzi do utraty helikalnej konformacji

PEO. Ulega zmianie odległość pomiędzy sąsiednimi atomami tlenu w łańcuchu PEO, co

prowadzi do zerwania wiązań wodorowych pomiędzy łańcuchem PEO a cząsteczkami wody.

Prowadzi to w konsekwencji do gwałtownej dehydratacji łańcuchów PEO i ostatecznie do

wydzielenia się fazy bogatej w surfaktant, czyli do zmętnienia roztworu. Podobnie do

cząsteczek białek cząsteczki PEO mogą również ulegać wysoleniu – znaczne stężenie soli

nieorganicznych prowadzi do dehydratacji łańcucha PEO i wydzielania się fazy bogatej w

PEO z roztworu wodnego..

II.9. Solubilizacja

Rozpuszczalność licznych substancji trudno rozpuszczalnych w wodzie gwałtownie wzrasta

w obecności surfaktantów, gdy przekroczone zostanie cmc. Zjawiskowo to nazywamy

solubilizacją, czyli rozpuszczaniem substancji w micelach [6]. Solubilizacja to zjawisko

podziału substancji rozpuszczonej (solubilizatu) pomiędzy fazę wodną a fazę micelarną.

Poniżej na rysunku 8 przedstawiono zależność rozpuszczalności substancji trudno

rozpuszczalnej w wodzie a ulegającej solubilizacji od stężenia surfaktantu w roztworze.

12

0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006

Ro

zp

us

zc

za

lno

ść

(g

/kg

)

Stężenie surfaktantu (mol/dm3)

Rys. 8. Rozpuszczalność substancji trudno rozpuszczalnej w wodzie w roztworze

micelarnym.

W zależności od właściwości chemicznych oraz hydrofobowości solubilizat może gromadzić

się w różnych rejonach miceli [8]:

1

2

3

4

Z

Rys. 9. Przekrój przez micelę kulistą zawierającą solubilizat

Solubilizat może być związany z koroną mieli (1), może gromadzić się w warstwie

palisadowej (2) lub też może kumulować się w rdzeniu mieli (3 lub 4). Typowa solubilizacja

to przypadki 2 – 4 na rys. 9. Solubilizacja w warstwie koronowej to bardziej adsorpcja

13

substancji rozpuszczonej na powierzchni mieli niż właściwa solubilizacja, czyli rozpuszczanie

solubilizatu w mieli.

III. Ekstrakcja metali ciężkich z próbek środowiskowych

Metale ciężkie

Rys. 10. Metale ciężkie w układzie okresowym

Metale ciężkie, to metale o gęstości >4,5 (g/cm3). Definicja metali ciężkich jest

problematyczna, gdyż biorąc pod uwagę kryterium gęstości zdecydowaną większość metali

można zakwalifikować jako ciężkie. Przy takiej definicji również żelazo i mangan, czyli dwa

podstawowe metale bloku d wszechobecne w środowisku, zaliczają się do metali ciężkich.

Często stosuje się też definicję mówiącą o tym, że metale ciężkie mają liczbę atomową > 20.

Trzy najbardziej toksyczne metale ciężkie to: Hg, Pb, Cd. Niektóre metale są bardzo

toksyczne jak np. Tl, ale ich rozpowszechnienie w środowisku jest znikome. Do ważnych

metali ciężkich powodujących skażenia środowiska zalicza się: Cr (Cr (VI) i Cr (III), Ni, Cu,

Zn. Poza tym jako metale ciężkie traktuje się również półmetale, takie jak As i Sb. Metale

ciężkie występują w środowisku przede wszystkim w formie hydratowanych kationów.

Niektóre metale przejściowe mogą występować w postaci anionów reszt kwasowych lub w

postaci ujemnie naładowanych związków kompleksowych.

Formy kationowe

14

Fe2+, Fe3+, Mn2+, Ni2+, Co2+, Cr3+, Cu2+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Pb2+, Tl+, itd.

Formy anionowe

CrO42-, Cr2O7

2-, MnO4-, [AuCl4]

- , [PtCl4]2-, [Fe(CN)6]

4-, [HgCl4]2-

Metale ciężkie w próbkach środowiskowych, a w szczególności w próbkach wód

powierzchniowych występują zwykle w bardzo niskich stężeniach, co może powodować

problem w ich detekcji. W związku z ich znaczną toksycznością dopuszczalne stężenia metali

ciężkich w wodach powierzchniowych są bardzo niskie, np. dla kadmu wynoszą od 0,45 do

1,5 μg/dm3 (w zależności od twardości wody) [9]. Niskie stężenia metali ciężkich w próbkach

środowiskowych pociągają za sobą konieczność prekondensacji próbek Jedną z najczęściej

stosowanych metod to ekstrakcja i mikroekstrakcja [10]. Stosuje się związek organiczny –

ligand (chelator) tworzący stabilne kompleksy chelatowe z danym metalem. Ligand i jego

kompleks są trudno rozpuszczalne w wodzie. Dlatego ligand rozpuszcza się w

rozpuszczalniku organicznym, np. CCl4 lub CHCl3 i przeprowadza się ekstrakcję próbki

wody. Podczas ekstrakcji jony analizowanego metalu są wychwytywane przez chelator i

przenoszone do fazy organicznej. Faza organiczna jest oddzielana od roztworu wodnego.

Jeżeli to konieczne faza organiczna jest osuszana (np. za pomocą bezwodnego CaCl2) i

zagęszczana na wyparce próżniowej, po czym przystępujemy do detekcji metalu. Najczęściej

stosowane metody detekcji to atomowa spektrometria absorpcyjna (ASA) i spektrofotometria.

III.1. Zastosowanie roztworów micelarnych w spektrofotometrycznej detekcji metali

Bardzo często chelatowy związek metalu ciężkiego jest barwny i może być oznaczany

spektrofotometrycznie. Większość chelatorów tworzących barwne kompleksy z metalami to

związki organiczne trudno rozpuszczalne w wodzie, podobnie trudno rozpuszczalne są

powstające kompleksy. Dlatego też serię roztworów wzorcowych przygotowuje się w

cieczach organicznych, np. w CHCl3, zaś podczas analizy próbki barwny kompleks

analizowanego metalu ekstrahuje się również do fazy organicznej. Pociąga to za sobą:

konieczność zastosowania znacznych ilości cieczy organicznych (w przypadku regularnie

przeprowadzanych analiz), konieczność zastosowania odpowiednich środków ochronnych

związanych z pracą z cieczami organicznymi oraz możliwość zanieczyszczenia środowiska.

Laboratorium ponosi też koszty związane z utylizacją zlewek cieczy organicznych.

15

Jeżeli jednak prowadzimy reakcję pomiędzy chelatorem a jonem metalu w obecności

surfaktantu w roztworze micelarnym (c > cmc) to może dojść do solubilizowania chelatora i

jego kompleksu w micelach. Roztwory micelarne są transparentne, a natężenie zabarwienia

kompleksu chelatowego narasta ze stężeniem analizowanego metalu. Można, więc

zastosować detekcję spektrofotometryczną bez konieczności stosowania rozpuszczalników

organicznych. Mówiąc o solubilizacji kationów metali możemy rozróżnić następujące

przypadki:

kation

inny kationanion

chelator

Amfifilowy chelator

12

34

Rys. 11. Różne sposoby solubilizacji jonów metali w micelach.

1) Kation metalu solubilizuje się w warstwie koronowej mieli. Jest to w rzeczywistości

zjawisko adsorpcji kationów metali na powierzchni miceli. Adsorpcja kationów z reguły jest

niespecyficzna. Zdolność adsorpcji kationów metali na powierzchni micel wzrasta z ich

wartościowością. Zjawisko adsorpcji metali na powierzchni micel stosuje się w metodzie

micelarnej ultrafiltracji, stosowanej w oczyszczalniach ścieków, czy też w niektórych

procedurach analitycznych.

2) W roztworze obecny jest rozpuszczalny w wodzie chelator, który specyficznie kompleksje

analizowany kation metalu. Kompleks jest następnie solubilizowany w miceli.

3) W miceli, często w warstwie palisadowej, solubilizowany jest chelator trudno

rozpuszczalny w wodzie. Ponieważ woda może penetrować warstwę palisadową, a kationy

16

mogą się adsorbować na powierzchni miceli, chelator wchodzi w kontakt z kationami metali i

specyficznie kompleksje wybrany kation

4) Stosujemy specyficzny surfaktant, w którym głowa polarna jest jednocześnie chelatorem.

Badany metal wiąże się specyficznie z głowami polarnymi surfaktantu.

III.2. Metoda ekstrakcji w punkcie zmętnienia (cloud point extraction CPE)

Omawiane w materiałach zjawisko zmętnienia, czyli wydzielania się fazy bogatej w

surfaktanty z micelarnych roztworów surfaktantów niejonowych można wykorzystać do

wydzielania metali ciężkich z próbek środowiskowych i ich koncentracji. Ideę metody CPE

przedstawia poniższy rysunek [11]:

Oznaczany kation

Inny kation

anion

Surfaktant niejonowy

Chelator

1 2 3 4 5 6

Rys. 12. Schemat ekstrakcji w punkcie zmętnienia

1) Do próbki dodajemy odpowiednią ilość niejonowego surfaktantu oraz chelatora. 2) W

roztworze powstają kompleks chelatowy oraz micele. Kompleks jest solubilizowany w

micelach. 3) Ogrzewamy roztwór powyżej cp, dochodzi do zmętnienia. 4) Wirujemy roztwór

– otrzymujemy zagęszczoną fazę z surfaktantem i kompleksem oraz przesącz. 5) Chłodzimy

roztwór na łaźni lodowej, w celu lepszego rozdziału faz. 6) Usuwamy fazę wodną.

Po usunięciu fazy wodnej na dnie probówki zostaje niewielka „kropka” fazy surfaktantowej.

Fazę tę trzeba rozpuścić przed detekcją analitu. Zwykle dodaje się niewielką objętość

rozpuszczalnika organicznego mieszającego się z wodą – np. etanol, izopropanol oraz

niewielką objętość roztworu wodnego odpowiedniej substancji – np. kwas mineralny, roztwór

zasady (w zależności od metody). Po rozpuszczeniu fazy surfaktantowej przystępujemy do

detekcji analitu. Najczęściej stosuje się metodę atomowej spektrometrii absorpcyjnej (ASA)

lub metodę spektrofotometryczną, jeżeli powstałe kompleksy są barwne i spełnione jest

17

prawo Lamberta-Beera. Zaletą metody CPE w stosunku do metod ekstrakcyjnych jest

uzyskanie znacznego zagęszczenia analitu bez stosowania toksycznych, w szczególności

chlorowanych rozpuszczalników organicznych.

III.3. Trytony

OO

H

n

Rys. 13. Wzór ogólny surfaktantów z grupy Triton-X

Trytony są to surfaktanty niejonowe z grupy etoksylowanych alkilofenoli produkowane przez

firmę Union Carbide [12]. Trytony w części hydrofobowej zawierają przyłączony w pozycji

para pierścienia benzenowego rozgałęziony ośmiowęglowy fragment 2,2,4,4-

tetrametylobutanu, swoją strukturą przypominający izooktan. Fragment ten jest krótszy i

bardziej rozgałęziony niż 9 węglowy fragment 2,3,5-trimetyloheksanu widoczny na Rys. 4 w

cząsteczce reprezentanta surfaktantów z grupy etoksylowanych alkilofenoli. Dzięki temu

trytony podczas biodegradacji w środowisku nie odszczepiają toksycznego nonylofenolu.

Właściwości fizyczne trytonów zależą od liczby fragmentów etoksylowych, n.

Tabela 2. Właściwości surfaktantów z grupy Triton-X

Tryton n właściwości, zastosowania

Triton-X-15 1 lub 2 średnio 1,5 nierozpuszczalny w wodzie, ciało stałe

Triton-X-35 3 nierozpuszczalny w wodzie, ciało stałe

Triton-X-45 4 lub 5 średnio 4,5 rozpuszczalny w wodzie, ciekły

Triton-X-114 7 lub 8 średnio 7,5 stosowany w metodzie CPE

Triton-X-100 9 lub 10 średnio 9,5 stosowany w badaniach biochemicznych

Triton-X-305 30 zastosowania przemysłowe

Triton-X-705 50 zastosowania przemysłowe

18

Zjawisko zmętnienia obserwowane jest głównie dla trytonów TX-114 i TX-100. Dla trytonu

TX-114 temperatura zmętnienia to 23 0C, w związku z czym jedynie niewielkie ogrzanie na

łaźni wodnej doprowadza do wydzielenia się fazy surfaktantowej. Zastosowanie soli

nieorganicznych lub alkoholi alifatycznych o średniej długości łańcucha (np. n-oktanol)

obniża cp poniżej 20 oC i ogrzewanie próbek nie jest w ogóle konieczne. CMC dla trytonu

TX-114 wynosi około 2*10-4M, tak więc stosunkowo rozcieńczone roztwory tego surfaktantu

ciągle jeszcze są roztworami micelarnymi.

III. 4. Chelatory w metodzie CPE, analizowane metale

Chelatory

Inne 33%

Związki azowe 29%

Ditiokarbaminiany 16%

Pochodne

ditizonu 7%

Pochodne

8-hydroksy-

chinolinyDDTP 6%

Rys. 14. Statystyka stosowanych chelatorów w metodzie CPE [13]

Jak widać na powyższym rysunku w metodzie CPE stosuje się różne chelatory, w zależności

od wykrywanego metalu. Dominują związki azowe. Metodą CPE można wykrywać

większość metali w próbkach środowiskowych poniżej przedstawiono statystykę wg. jednej z

prac przeglądowych [14].

19

Rys. 15. Statystyka zastosowania metody CPE do wykrywania poszczególnych metali.

Wartość na osi Y oznacza liczbę publikacji źródłowych [14].

III.5..Tioketon Michlera

S

CH3

NNCH

3

CH3

CH3

Rys. 16. Wzór strukturalny TMK

Tioketon Michlera (4,4’-bis(dimetyloamino)tiobenzofenon), TMK jest specyficznym

ligandem tworzącym barwne kompleksy z niektórymi metalami szlachetnymi: rtęcią: Hg2+,

Hg22+ i związkami rtęcioorganicznymi, Ag+, Au3+, Pd2+, Pt2+ [15-17] Związek ten można

uznać jako specyficzny chelator dla jonów rtęci, ponieważ pozostałe z wymienionych metali

szlachetnych nie występują zwykle w próbkach środowiskowych w ilościach mierzalnych.

Bardzo ważną cechą TMK jest fakt, że nie tworzy on kompleksów z innymi metalami

ciężkimi oznaczanymi często w próbkach środowiskowych, jak Zn2+, Cd2+ i Pb2+.

Stechiometrię kompleksu Hg-TMK w roztworach micelarnych można przyjąć jako 1:2, czyli

kompleks taki ma wzór: [Hg(TMK)2]2+. TMK bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie,

natomiast dobrze rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych, jak np. aceton, etanol.

Acetonowy roztwór TMK jest pomarańczowy, natomiast w roztworach micelarnych przy

znacznym rozcieńczeniu roztwory TMK są żółte. Kompleks [Hg(TMK)2]2+ absorbuje światło

20

przy λ = 575 nm (światło żółte), w związku z czym roztwory [Hg(TMK)2]2+ mają zabarwienie

fioletowe. W sytuacji, gdy TMK występuje w roztworze micelarnym w znacznym nadmiarze

w stosunku do [Hg(TMK)2[2+ to taki roztwór ma kolor pomarańczowy. Kompleks

[Hg(TMK)2]2+ jest trwały w środowisku kwaśnym (pH 2 – 5). Optymalne pH wynosi 3, a w

celu utrzymania stałego pH stosuje się bufor octanowy.

Problem stechiometrii kompleksu Hg2+ - TMK

W roztworach micelarnych TX-114 w stosowanych w ćwiczeniu warunkach mogą tworzyć

się trzy różne kompleksy Hg-TMK:

O stechiometrii 1:1 [Hg(TMK)]2+

O stechiometrii 1:2 [Hg(TMK)2]2+

O stechiometrii 1:3 [Hg(TMK)3]2+

Stechiometria 1:2 jest typowa dla większości proporcji molowych Hg2+:TMK występujących

w tym ćwiczeniu

Stechiometria 1:1 jest możliwa w sytuacji, gdy jonów Hg2+ jest więcej niż cząsteczek TMK. Z

taką sytuacją nie spotkamy się w ćwiczeniu. Maksimum absorbancji kompleksu [Hg(TMK)]+

przypada przy około 590 nm, w związku z czym jest on ciemno niebieski.

Stechiometria 1:3 możliwa jest przy znacznym nadmiarze TMK. Z taką sytuacją mamy do

czynienia w metodzie cpe dla zawartości rtęci w próbce mniejszych niż 2 µg. Jeżeli

rozpoczniemy skalę od 0 i równo rozmieścimy stężenia roztworów wzorcowych zależność

A(m Hg2+) będzie nieliniowa. Wykres będzie składał się z dwóch odcinków liniowych o

różnym nachyleniu: od 0 do 2 i powyżej 2. Maksimum absorbancji kompleks [Hg(TMK)3]2+

przypada przy około 500 nm, dlatego związek ten jest pomarańczowy. Związek ten

charakteryzuje się stosunkowo niskim współczynnikiem ekstynkcji ε, przez co nachylenie

prostej w przedziale zawartości Hg2+ od 0 do 2 µg jest niewielkie, co powoduje, że czułość

metody jest niewystarczająca, by móc ją skutecznie stosować.

Należy zwrócić uwagę, że omawiane tu kompleksy są ze sobą w równowadze i powstają w

sposób następczy:

Hg2+ + TMK ↔ [Hg(TMK)]2+; stała K1

[Hg(TMK)]2+ + TMK ↔ [Hg(TMK)2]2+; stała K2

[Hg(TMK)2]2+ + TMK ↔ [Hg(TMK)3]

2+; stała K3

21

IV. Bibliografia

1. Tabela pochodzi z: Wikipedia, hasło: barwy proste,

https://pl.wikipedia.org/wiki/Barwy_proste, 16.11.15.

2. Rysunek pochodzi z: Wikipedia, hasło: complementary colors,

https://en.wikipedia.org/wiki/Complementary_colors, 16.11.15.

3. W. Szczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, Warszawa 2011.

4. A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, PWN, Wyd. 6, Warszawa 2013.

5. C. Tanford, The hydrophobic effect. Formation of micelles and biological membranes,

Wiley, 2nd Ed., New York 1980.

6. M.J. Rosen, J.T. Kunjappu, Surfactants and interfacial phenomena, Wiley, 4th Ed., New

York 2012.

7. F.E. Bolley, J.V. Koleske, Alkylene oxides and their polymers, Marcel Dekker, New York

1990.

8. E.K. Paleologos, D.L. Giokas, M.I. Karayannis, Micelle-mediated separation and cloud-

point extraction, Trends Anal. Chem. 24 (2005) 426-436

9. Rozporządzenie Ministra Ochrony Środowiska w sprawie sposobu klasyfikacji stanu

jednolitych części wód powierzchniowych oraz środowiskowych norm jakości dla substancji

priorytetowych, Dziennik Ustaw 30.10.2014.

10. Z. Marzenko, M. Balcerzak, Separation, precondensation and spectrophotometry in

inorganic analysis, Elsevier, Amsterdam 2000.

11. C. Bosch Ojeda, F. Sanchez Rojas, Separation and preconcentration by cloud point

extraction procedures for determination of ions: recent trends and applications, Microchim.

Acta 177 (2012) 1-21.

12. Wikipedia, hasło: Triton X, https://pl.wikipedia.org/wiki/Triton_X, 16.11.15.

13. K. Pytlakowska, V. Kozik, M. Dabioch, Complex-forming organic ligands in cloud-point

extraction of metal ions: A review, Talanta 110 (2013) 200-228.

14. P. Samaddar, K. Sen, Cloud point extraction: A sustainable method of elemental

preconcentration and speciation, J. Industr. Eng. Chem. 20 (2014) 1209-1219.

15. A. Niazi, T. Momeni-Isfahani, Z. Ahmari, Spectrophotometric determination of mercury

in water samples after cloud point extraction using nonionic surfactant Triton X-114, J.

Hazard. Mat. 165 (2009) 1200–1203.

22

16. A. Niazi, A. Azizi, M. Ramezani, Simultaneous spectrophotometric determination of

mercury and palladium with Thio-Michler’s Ketone using partial least squares regression and

orthogonal signal correction, Spectrochimica Acta Part A 71 (2008) 1172–1177.

17. F. Shemirani, R. R. Kozani, M. R. Jamali, Y. Assadi, M. R.Milani Hosseini, Cloud-point

extraction, preconcentration, and spectrophotometric determination of palladium in water

samples, Intern. J. Environ. Anal. Chem., 86 (2006) 1105-1112.

V. Wykonanie ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest oznaczenie stężenia jonów rtęci (II), Hg2+ w próbkach wody. Do

oznaczania rtęci zastosowana zostanie metoda spektrofotometryczna z TMK jako chelatorem

w micelarnych roztworach trytonu TX-114. Dla próbek o zawartości jonów Hg2+ poniżej

granicy wykrywalności zastosowana zostanie metoda prekondensacji próbki z zastosowaniem

ekstrakcji w punkcie zmętnienia. Po zagęszczeniu zawartość Hg2+ w próbkach będzie również

analizowana spektrofotometrycznie.

Odczynniki

Roztwór wzorcowy Hg2+ o stężeniu 1 mg/ml

0,001M roztwór TMK w acetonie

0,075M wodny roztwór trytonu TX-114

0,1 M bufor octanowy o pH 3

Izopropanol

23

V.1. Spektrofotometryczny pomiar w roztworach micelarnych

V.1.1. Przygotowanie roztworu wzorcowego roboczego Hg2+ o stężeniu 10 μg/ml

Przelać niewielką ilość roztworu wzorcowego Hg2+ o stężeniu 1 mg/ml do zlewki o objętości

10 cm3. Przemyć pipetę tym roztworem, a następnie przenieść 2,5 cm3 tego roztworu do kolby

miarowej o objętości 250 cm3. Uzupełnić kolbę wodą destylowaną do kreski kalibracyjnej i

wymieszać.

V.1.2. Przygotowanie serii roztworów wzorcowych

1. Do 11 kolb miarowych o objętości 25 cm3 dodać kolejno: 0; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4;

4,5; 5 cm3 roztworu Hg2+ o stężeniu 10 µg/ml

2. Uzupełnić kolby wodą do objętości 20 cm3

3. Dodać 2 cm3 buforu octanowego

4. Dodać 1 cm3 izopropanolu

5. Dodać 1 cm3 0,075 M TX-114

6. Dodać 0,5 cm3 0,001 M TMK

7. Uzupełnić wodą destylowana do kreski i dokładnie wymieszać

8. Po około 10 minutach zmierzyć abosrbancję przy λ = 570 nm

Uwaga: po dodaniu surfaktantu (punkt 5) nie mieszamy gwałtownie kolb. Wstrząsanie kolb

zawierających surfaktant powoduje obfite pienienie się, co uniemożliwia dokładne

dopełnienie kolbek wodą destylowaną do kreski kalibracyjnej.

V.1.3. Pomiar absorbancji i widm

Pomiary widm i absorbancji roztworów micelarnych prowadzimy w szklanej kuwecie o

długości 1 cm.

Pomiar absorbancji

Proszę ustawić długość fali 570 nm i wyzerować aparat na wodę destylowaną

Proszę zmierzyć absorbancje kolejnych roztworów wzorcowych.

24

Pomiar widm

Proszę zmierzyć widma następujących roztworów: 1) próby ślepej, 2) roztworu ze środka

skali (2,5), 3) roztworu kończącego skalę

V.1.3. Przygotowanie próbek

1) Do 12 kolb miarowych o objętości 25 cm3 odpipetować po 20 cm3 próbek wody od 1 do 12

2) Do każdej kolby dodać 2 cm3 buforu octanowego.

3) Do każdej kolby dodać 1 cm3 izopropanolu

4) Do każdej kolby dodać 1 cm3 0,075 M TX-114 (nie mieszać!)

5) Do każdej kolby dodać 0,5 cm3 0,001 M TMK

6) Dopełnić kolby wodą destylowaną do kresek kalibracyjnych i dokładnie wymieszać.

7) Po 10 minutach proszę zmierzyć absorbancję przy λ = 570 nm

V.2. Ekstrakcja w punkcie zmętnienia (CPE)

V.2.1. Przygotowanie roztworu wzorcowego roboczego Hg2+ o stężeniu 1 μg/ml

Przelać niewielką ilość roztworu wzorcowego Hg2+ o stężeniu 1 mg/ml do małej zlewki. Za

pomocą strzykawki analitycznej pobrać 250 µl tego roztworu i przenieść ilościowo do kolby

miarowej o objętości 250 cm3. Uzupełnić woda destylowaną do kreski i wymieszać

V.2.2. Przygotowanie skali

1. Do 6 plastikowych probówek do ultrawirówki o objętości 50 cm3 dodać: 2; 3; 4; 5; 6; 7 cm3

roztworu wzorcowego Hg2+ o stężeniu 1 µg/ml

2. Uzupełnić probówki wodą destylowaną do objętości 40 cm3

3. Dodać 2 cm3 buforu octanowego

4. Dodać 1 cm3 0,075 M TX-114

5. Dodać 0,35 cm3 0,001 M TMK

6. Zakręcić, dokładnie wymieszać i wstawić na 15 min do łaźni wodnej ogrzanej do 50 oC

25

7. Wirować przez 10 min. przy 4000 obrotów/min.

8. Schłodzić na łaźni lodowej

9. Za pomocą aspiratora ściągnąć przesącz uważając, by nie zaciągnąć frakcji surfaktantowej.

10. Pozostałą fazę surfaktantową rozpuścić w 1,5 cm3 etanolu

11. Zmierzyć absorbancję przy λ = 570 nm

V.2.3. Przygotowanie próbek

1. Pobrać pipetą 40 cm3 próbek, w których nie udało się oznaczyć stężenia Hg2+ w roztworze

micelarnym i przenieść do probówek do ultrawirówki.

2. Do każdej probówki dodać 2 cm3 buforu octanowego

3. Do każdej probówki dodać 1 cm3 0,075 M TX-114

4. Do każdej probówki dodać 0,35 cm3 0,001 M TMK

5. Zakręcić probówki, wymieszać i wstawić na 15 min do łaźni wodnej w temperaturze 50 oC

6. Wirować przez 10 min. przy 4000 obrotów/min.

7. Schłodzić na łaźni lodowej

8. Za pomocą aspiratora ściągnąć przesącz uważając, by nie zaciągnąć frakcji surfaktantowej.

9. Pozostałą fazę surfaktantową rozpuścić w 1,5 cm3 etanolu

10. Zmierzyć absorbancję przy λ = 570 nm

26

VI. Przygotowanie sprawozdania/opracowanie wyników

Należy napisać, co było celem ćwiczenia i w jaki sposób cel ten realizowano. W

szczególności należy zwięźle opisać wszystkie przeprowadzone procedury eksperymentalne.

1) Proszę na jednym wykresie umieścić widma zmierzone dla: próby ślepej, środka skali,

końca skali. Proszę przedyskutować ten wykres.

2) Dla roztworów micelarnych należy przedstawić w tabeli zmierzone absorbancje dla serii

roztworów wzorcowych , po czym od wszystkich wartości absorbancji odjąć absorbancję

ślepej. Przedstawić wykres zależności absorbancji od masy Hg2+ i dopasować do punktów

linię prostą metodą regresji liniowej. Dopasowana prosta powinna przechodzić przez punkt

0,0, czyli mieć równanie A = am, gdzie a – wyznaczony współczynnik kierunkowy prostej, m

– masa Hg2+ w kolbie. Proszę podać błąd wyznaczenia współczynnika a. Równanie prostej

musi być wyraźnie napisane na wykresie lub zaraz pod nim.

3) Proszę zebrać w tabeli wartości absorbancji zmierzone dla 12 próbek wody. Dla tych, w

których absorbancja była większa niż zmierzona dla pierwszego punktu serii wzorców proszę

policzyć masę Hg2+ w próbce oraz przeliczyć ją na stężenie wyrażone w μg/dm3

4) Proszę opisać sposób przygotowania skali wzorców dla metody ekstrakcji w punkcie

zmętnienia oraz sposób przygotowania próbek. Proszę zebrać w tabeli wartości absorbancji

zmierzone dla wzorców. Skala cpe jest stosowana tylko dla pewnego wycinka stężeń Hg2+.

Dla tej skali nie mierzyliśmy próby ślepej, dlatego bezpośrednio zmierzone absorbancje

należy umieścić na wykresie i dopasować do nich równanie prostej: A = am + b, gdzie m –

masa Hg2+ we wzorcu, a – wyznaczony współczynnik nachylenia prostej, b – przecięcie się

dopasowanej prostej z osią Y.

5) W tabeli proszę zebrać wartości absorbancji zmierzone dla próbek. Proszę przeliczyć

zawartość Hg2+ korzystając z krzywej kolibracyjnej dla metody cpe w próbkach oraz stężenie

w µg/dm3.