2. Spektrofotometri och potentiometri

Transkript

1 Laboration i analytisk kemi (KEGBAA, BLGAK0) 2. Spektrofotometri och potentiometri Laborationen syftar till att introducera två olika metoder för att bestämma fluorhalten i tandkräm och munskölj. 1

2 Teori Spektrofotometri i UV/VIS-området, som är en av de vanligast använda analysmetoderna, bygger på att joner, komplex eller molekyler absorberar elektromagnetisk strålning. Bland de ämnesgrupper som kan bestämmas i UV/VIS-området finns organiska ämnen med delokaliserade elektroner (dubbelbindningar), vissa oorganiska anjoner (t. ex. nitrit, nitrat och karbonat), lantanid- och aktinidjoner, samt joner av metaller i de första och andra övergångs serierna (t. ex. Co(II), Ti(II) och Cu(II)). Även om det ämne som skall bestämmas inte i sig själv absorberar ljus i UV/VIS-området (våglängdsintervallet nm), kan fotometriska metoder utnyttjas genom att ämnet får reagera med en absorberande ligand så att ett absorberande komplex bildas eller med ett reagens så att en färgad reaktionsprodukt bildas. Spektrofotometriska metoder bygger vanligtvis på att Lambert- Beers lag gäller, d.v.s. att absorbansen är proportionell mot koncentrationen av det ämne som analyseras inom ett visst koncentrationsintervall. Vid potentiometriska mätningar med jonselektiva elektroder mäts den potentialskillnad som uppstår över ett membran. Membranet kan vara av glas (för bestämning av H +, Na + och andra monovalenta katjoner), kristaller (för bestämning av t.ex. F -, Ag +, S 2- ) eller en film av jonbytare (för t.ex. Ca 2+ och NO 3- ). Vid sidan av den mycket viktiga glaselektroden för ph-mätningar, är fluoridelektroden en av de mest tillförlitliga jonselektiva elektroderna. I laborationen skall fluoridjonskoncentrationen i tandkräm bestämmas både spektrofotometriskt och potentiometriskt. Den spektrofotometriska metoden kalibreras med hjälp av en vanlig standardkurva, efter att ett färgreagens som är specifikt för fluoridjoner tillsatts standardlösningar och prover. Den potentiometriska bestämningen utförs med hjälp av standardtillsatser direkt i provet och den ursprungliga provkoncentrationen beräknas med hjälp av en Gran-funktion. Spektrofotometrisk bestämning av fluorid En spektrofotometrisk analys bygger naturligtvis på att det analyserade ämnet absorberar ljus. Eftersom fluoridjoner inte uppvisar någon absorbans i UV/VIS-området låter man dessa reagera med ett komplex som bildas av lantanjoner och alizarinkomplexon (se figur la) vid ph 4.5. Starkt förenklat kan detta beskrivas med där H 2 L 2- anger den delvis deprotonerade formen av alizarinkomplexon, H 4 L. Vid tillsats av fluoridjoner bildas, om ett överskott av lantanjoner föreligger, ett blåfärgat komplex enligt Detta komplex antas ha den struktur som visas i figur 1. (1) (2) 2

3 Figur 1: (a) Alizarinkomplexon, H 4 L och (b) delar av strukturen hos det komplex som bildas mellan fluoridjoner och lantanalizarinkomplexon, La(LaL) 4 F Atomer markerade med en asterisk (*) är bundna till den tredje respektive fjärde liganden i komplexet. Den spektrofotometriska bestämningen förutsätter att Lambert-Beers lag gäller där A anger absorbansen, ε anger den molära absorptiviteten [M -1 cm -1 ] för komplexet, l anger kyvettlängden [cm] och C anger koncentrationen [M] av komplexet. För att åstadkomma en kvantitativ komplexbildning måste en hög halt av liganden användas. Eftersom liganden också absorberar ljus vid de våglängder där komplexet absorberar, kommer den absorbans som registreras att vara där ε L och C L anger molär absorptivitet respektive koncentration för liganden. Om ett mycket stort överskott av ligand används, kommer termen ε L lc L att vara konstant även när fluoridjoner finns i lösningen och linjäritet mellan absorbans och fluoridjonskoncentration kommer därför ändå att kunna erhållas eftersom det då gäller att där k är en konstant. Potentiometrisk bestämning av fluorid Den jonselektiva elektrod som används för fluoridbestämningar innehåller en enkristall av (3) (4) (5) 3

4 lantanfluorid, LaF 3, dopad med europium(ii)-joner. Eu(II)-jonerna tillsätts för att förbättra ledningsförmågan i kristallen. Kristallen monteras som ett membran i en elektrod, figur 2, som har en innerlösning med konstant fluoridjonkoncentration. Om elektroden befinner sig i en provlösning med en annan fluoridjonkoncentration kommer en potentialskillnad att uppstå över membranet, eftersom jämvikten kommer att förskjutas olika på membranets två sidor, vilket medför att en skillnad i laddning uppstår. (6) Figur 2: Mätcell med fluoridselektiv elektrod. Elektrodens detektionsgräns bestäms av lantanfluoridens löslighet. För LaF 3 gäller och den fluoridjonskoncentration som detekteras i rent vatten borde därför vara M. Lösligheten för en enkristall av LaF 3 är emellertid betydligt lägre än för en fällning. Kinetiken för upplösning av enkristallen är dessutom mycket långsam, vilket medför att en fluoridselektiv elektrod kan användas för halter ner till cirka 10-6,5 M när provlösningarna rörs om. Bestämningar baserade på fluoridelektroden är relativt okänslig för interferenser, men följande problem kan uppstå: H + interfererar vid låga ph, genom att HF bildas. pk a -värdet för HF är 3,45. OH interfererar genom att blockera elektrodmembranet vid höga ph, eftersom hydroxidoch fluoridjonerna är isoelektroniska. En elektrod som blockerats av hydroxidjoner kan återgenereras genom att den placeras i en stark HF-lösning. Närvaro av metalljoner som bildar starka komplex med fluorid, t. ex. Al 3+ och Fe 3+, kan leda till att fluoridjonskoncentrationen underskattas. Genom tillsats av ligander som bildar starkare komplex med metalljonerna, t. ex. CDTA (1.2-diaminocyclohexan-N,N,N,N - tetraättiksyra) kan dessa interferenser undvikas. Problemen med väte- och hydroxidjoninterferenserna gör att det användbara ph-området för fluoridelektroden är 4,5 till 8,5. Den kvantitativa utvärderingen av fluoridhalter i okända prover kan ske genom: Kalibrering med lösningar med kända fluoridhalter (standardkurva). Standardtillsatsmetoden. (7) 4

5 Fällningstitrering med lantannitrat. I denna laboration tillämpas standardtillsatsmetoden med utvärdering med hjälp av en Granfunktion, eftersom tandkrämsproverna ger en komplicerad provmatris är de andra metoderna inte är tillförlitliga. Gran-funktionen Syftet med Gran-funktionen är att få en linjär standardtillsatskurva. Vid en bestämning av fluoridjonskoncentrationen med standardtillsatsmetoden gäller följande ekvation (8) där V 0 är den ursprungliga volymen innan tillsatser, V s är volymen tillsatt standardlösning, C 0 är provets ursprungliga fluoridjonskoncentration och C s är standardlösningens fluoridjonskoncentration. k är en konstant medan E är den uppmätta spänningen och z är Nernstfaktorn 1. Från interceptet med x-axeln beräknas den sökta koncentrationen, C 0, enligt För den intresserade läsaren finns en härledning av Gran-funktionen i Appendix 1. (9) (10) Då Nernstfaktorn beror på bland annat temperaturen så behöver den bestämmas för de förutsättningar som gäller vid den specifika mätningen. Därför görs en bestämning av Nernstfaktorn före man mäter på provet. Nernstfaktorn kan bestämmas genom att använda sambandet där b är en konstant [F - ] är fluoridjonskoncentrationen. Nernstfaktorn är alltså lika med lutningen i en -log([f - ]) mot E plot. Genomförande Provbehandling Väg in 0,3-0,4 g tandkräm genom att ta en spatelspets tandkräm och skrapa av direkt i en E-kolv med känd vikt. Väg E-kolven och notera den exakta vikten på tandkrämen. Tillsätt ca 75 ml MilliQvatten (dubbelavjoniserat vatten med mycket låga jonkoncentrationer) och lös tandkrämen genom att försiktigt rör med en ren glasstav. Försök undvika skumbildning. När all tandkräm har löst sig överförs provet i en 100 ml mätkolv. Skölj ur E-kolven med lite MilliQ-vatten och överför till mätkolven. Späd slutligen till märket med MilliQ-vatten. Denna lösning används till både den spektrofotometriska och den potentiometriska mätningen. Ta 0,3-0,4 ml munskölj och späd med MilliQ-vatten i en 100 ml mätkolv. (11) 1 Det teoretiska värdet på Nernstfaktorn är 5

6 Spektrofotometrisk bestämning av fluoridjonskoncentrationen Utrustning Spektrofotometer, mätkolvar (1 st 100 ml, 8 st 25 ml), pipetter. Kemikalier Reagenslösning (5, M alizarinkomplexon, 7, M La(NO 3 ) 3, 0,5 M natriumacetat och 0,5 M ättiksyra i 50 % aceton), natriumfluorid, 2 M saltsyra och 2 M natriumhydroxid. Utförande Starta spektrofotometern Denna behöver en uppvärmningstid på minst 15 minuter för att stabila avläsningar skall kunna göras. Beredning av stamlösning En stamlösning bestående av 0,01 M natriumfluoridlösning ska beredas. Väg upp lämplig mängd natriumfluorid för att göra 25 ml stamlösning och lös i MilliQ-vatten. Tänk på att natriumfluorid är giftigt. Beredning av standardlösningar och prov Stamlösningen med 0.01 M NaF späds hundra gånger i en 100 ml mätkolv. Från denna lösning tas sedan lämpliga mängder för att göra standardlösningar med sammansättning enligt tabell 1. Standardlösningarna och provlösningen bereds på samma sätt i 25 ml mätkolvar. Späd kolvarna till märket med MilliQ-vatten efter alla tillsatser och skaka kolvarna. Lösningarna måste stå minst 20 minuter efter att reagenset har tillsatts för att reaktionerna skall hinna ske innan mätningarna utförs. Tabell 1: Provsammansättning och resultat för spektrofotometrisk bestämning. Lösning ml reagens ml 10-4 M NaF Extra tillsats Absorbans ml provlösning ml munskölj ml 2 M HCl (spektrum) ml 2 M NaOH (spektrum) 6

7 Spektrofotometermätningar Fluoridlantanalizarin har sin maximala absorbans vid den våglängd som motsvarar komplexets komplementfärg (dvs. gulorange). För att finna den optimala våglängden utförs ett scan med lösning 5 som prov och lösning 1 som referens. Innan denna mätning kan genomföras måste instrumentet nollställas. Nollställning av instrumentet (baslinje) Ställ in instrumentet i Spectrum-läge genom att trycka på Acquire mode och välja Spectrum. Om instrumentet ej var i rätt läge från början kommer en inställningsruta nu öppnas; om instrumentet redan var i rätt läge är det inte säkert att rutan öppnas automatiskt utan detta får då göras manuellt genom att Parameters väljs från menyn Configure. Ställ in våglängdsområdet nm och skalan 0-2 absorbansenheter, låt alla andra inställningar vara som de är. Fyll båda kyvetterna med lösning 1 (blanklösning) och tryck på Baseline för att nollställa instrumentet. Instrumentet kommer nu att nolla absorbansen över alla våglängder, detta tar en stund. Bestämning av optimal våglängd Använd lösning 1 som referens (positionen längst bak) och lösning 5 som prov (längst fram). Registrera ett spektra genom att trycka på Start. Tryck på Manipulate och Peak pick för att få upp en lista över alla toppar och dess våglängder. Välj den bästa våglängden för fortsatta mätningar. Absorbansmätningar Välj Quantitative från menyn Acquire mode. Ställ in den valda våglängden (endast hela våglängder fungerar) i rutan som öppnas och tryck OK. Nollställ instrumentet genom att trycka på Auto-zero med lösning 1 i båda kyvetterna. Se till att Standard är valt i programmet och tryck sedan på Read för att utföra mätningen. Upprepa med alla standarder med lösning 1 som referens. Tryck sedan på Unknown och utför en mätning på det okända provet. Anteckna absorbanserna för standarderna och provet i tabell 1. Undersökning av ph:s inverkan Registrera ett spektra för lösning 1, 6, 10 och 11 med vatten som referens på samma sätt som tidigare (Nollställning av instrument och Bestämning av optimal våglängd). Kombinera de fyra spektrumen till en bild. Registrera ett spektra för lösning 6, 10 och 11 med lösning 1 som referens. Kombinera de fyra spektrumen till en bild. Beräkningar Konstruera en standardkurva genom att avsätta uppmätt absorbans mot fluoridjonskoncentrationen. Använd standardkurvan för att bestämma fluoridjonskoncentrationen i proven. Ta hänsyn till spädningen som gjorts och beräkna hur många viktsandelar fluor som finns i tandkrämen respektive munsköljen. Ange svaret i ppm med ett 95% konfidensintervall och jämför med det värdena som anges på förpackningarna. 7

8 Potentiometrisk bestämning av fluoridjonskoncentrationen Utrustning Fluoridselektiv elektrod, referenselektrod, ph-meter med möjlighet att avläsa elektrodpotentialen i mv, magnetomrörare med magnetloppa, bägare och pipetter. Kemikalier Buffertlösning (1 M natriumacetat + 0,25 M saltsyra M CDTA) och stamlösning med 0.01 M NaF (använd den som gjordes för spektrofotometrin). Utförande Bestämning av Nernstfaktorn Kalibrera elektroden, d.v.s. bestäm Nernstfaktorn genom mätningar i en lösning bestående av 25 ml buffert och 25 ml MilliQ-vatten genom tillsatser av 0,01 M NaF enligt tabell 2. Mätningarna går till så att först görs en tillsatts av NaF, därefter körs omrörningen i ca 30 s och efter att magnetomröraren har stängs av väntar man ytterligare ca 30 s tills man läser av potentialen. Låt elektroderna vara i lösningen under hela förloppet. Tabell 2: Bestämning av Nernstfaktorn. Totalt tillsatt volym [ml] 0,1 0,2 0,3 0,6 1,0 1,8 3,3 6,0 10,0 E [mv] Nernstfaktorn är lika med lutningen av det linjära sambandet som fås då potentialen plottas mot -log([f - ]). Jämför det erhållna värdet med det teoretiska. Bestämning av fluoridjonskoncentrationen med standardtillsatsmetoden Ta 25 ml prov och späd till 50 ml med buffertlösningen. Gör standardtillsatser av stamlösningen med 0,01 M NaF enligt tabell 3 och avläs cellpotentialen, E, efter varje tillsats. Avläsningarna av potentialen efter varje tillsats görs på samma sätt som vid bestämningen av Nernstfaktorn. 8

9 Tabell 3: Bestämning av fluoridjonskoncentrationen i proverna. Totalt tillsatt volym, V s [ml] Tandkräm E [mv] Munskölj E [mv] 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Beräkningar Konstruera standardtillsattskurvor för de två proven enligt ekvation (8) och beräkna fluoridjonskoncentrationen med ekvation (10). Räkna om värdet till viktandelar (ppm) och jämför med de koncentrationer som erhölls från spektrofotometrin och de som finns på förpackningarna. Frågor 1. Vid den spektrofotometriska bestämningen sätts en ph-buffert till provlösningarna (finns i reagenslösningen). Varför gör man det? Tänk på resultatet från Undersökning av ph:s inverkan. 2. En ph-buffert används också i den potentiometriska bestämningen, fast av ett annat skäl. Vilket? 3. Vad händer med standardkurvan vid den spektrofotometriska bestämningen om halten av fluoridkomplex närmar sig en punkt då allt reagens har förbrukats? 4. Vilka felkällor kan ha påverkat de erhållna resultaten? 9

10 Appendix 1 Härledning av Gran-funktionen Vid den potentiometriska mätningen erhålls cellpotentialen som där E ind är potentialen för den jonselektiva elektroden, E ref är potentialen för den referenselektrod som används och E j är summan av de liquid junction potentialer som kan förekomma i systemet. För den fluoridselektiva elektroden gäller där n är absolutbeloppet av jonens laddning, R är den universella gaskonstanten, T är den absoluta temperaturen och F = en A är Faradays konstant. Den uppmätta cellpotentialen kan då anges som (A1) (A2) Ekvation (A3) gäller allmänt och för att betrakta standardtillsattsmetoden införs: (A3) Med denna notation kan vi formulera följande samband (där index på k slopats) och (A4) (A5) Ekvation (A4) och (A5) kan skrivas om till ekvation (8) som kallas Gran-funktionen efter den svenske kemisten Gunnar Gran. Det ska påpekas att den jonselektiva elektroden mäter aktivitet och inte koncentration och i härledningen har antagits att aktivitetsfaktorn är 1, vilket är sant för lösningar med jonstyrka mindre än 0,001. Detta antagande medför dock inget fel i mätningarna så länge jonstyrkan är konstant under alla mätningar genom tillsats av en hög halt av någon elektrolyt till alla prover. 10