VAJA 1: Vzorčenje in priprava vzorcev za analizo

Transcription

1 1 VAJA 1: Vzorčenje in priprava vzorcev za analizo Vzorčenje zemlje Vzorec, ki je namenjen laboratorijski analizi predstavlja ponavadi le majhen del mnogo večjega prvotnega vzorca ali materiala o katerem želimo izvedeti določene podatke. Sestava laboratorijskega vzorca se mora zato čim bolj skladati s povprečjem sestave prvotnega vzorca. Pripravo reprezentativnega dela prvotnega vzorca v analitski kemiji imenujemo vzorčenje. Vzorčenje kompleksnih prvotnih vzorcev predstavlja glavni vir napak v smislu točnosti analize. To še posebno drži, ko se odločimo, da bomo vzorčili velike sisteme npr. jezero, zrak v industrijski coni, polje, rudo Končni produkt vzorčenja je homogen material, ki tehta nekaj gramov, kar predstavlja le 1 del proti 10 7 delom celotnega materiala v analizi. Zato moramo zagotoviti, da je končni laboratorijski vzorec čim bolj podoben prvotnemu velikemu vzorcu. Vzorčenje je del analize, ki je specifičen za vsak tip vzorca enako kot je analitska metoda specifična za določen tip spojine. Literature s področja vzorčenja ponavadi pokriva sklope vzorčnih enot: vzorčenje zemlje, vzorčenje vodnih raztopin, vzorčenje rude, vzorčenje zraka, vzorčenje mesa, vzorčenje sadja, Enotni postopek vseh vzorčenj pa je predstavljen s spodnjo shemo: Identifikacija populacije-polje Zbiranje velikega vzorca-10 kg Iz velikega vzorca pripravimo laboratorijski vzorec- 10 g Vpliv vzorčenja na napake Večino sistematskih in naključnih napak pri analitskem delu lahko pripišemo instrumentu, metodi in osebam. Sistematskim napakam se izognemo z umerjanjem instrumenta s standardi, z uporabo referenčnih materialov in laboratorijskimi izkušnjami. Naključne napake, ki se kažejo v točnosti podatkov odkrivamo s kontrolo spremenljivk, ki lahko vplivajo na meritev. Napake, ki pa nastanejo pri vzorčenju so edinstvene v njihovem odkrivanju, kajti tu ne moremo uporabljati standardov, ali večje kontrole nad spremenljivkami, zato jih obravnavamo kot standardni odmik vzorčenja

2 2 sampling s s. Če standardnemu odmiku vzorčenja prištejemo še standardni odmik metode method s m, smo izračunali standardni odmik analitske meritve s 0. s 0 2 = s s 2 + s 0 2 Določevanje velikosti velikega vzorca Velikost velikega vzorca določimo kot dopustno negotovost, ki se sklada z negotovostjo sestave prvotnega vzorca, stopnje heterogenosti vzorca in velikost delcev pri katerem se heterogenost začne. Pri analizi vodnih raztopin, je stopnja heterogenosti definirana z velikostjo molekul, pri čemer molska masa molekul določa min mase velikega vzorca. Ko pa imamo trde vzorce, npr. rudo v kateri, bi radi določili vsebnost svinca, moramo upoštevati velikost delcev rude in sestavo delcev, kajti nekateri delci vsebujejo več svinca kot drugi. V takih primerih se poslužujemo drobljenja, zato da je vzorec čim bolj homogen v velikosti in s tem v sestavi. Priprava laboratorijskega vzorca Ko smo zbrali veliki vzorec, mora le-ta iti skozi različne faze mletja, drobljenja in sejanja preden je primeren za laboratorijski vzorec. Vsi ti postopki predstavljajo ključni del v smislu homogenizacije in s tem reprezentativnosti vzorca za analizo. Pri tem pa ne smemo pozabiti na možen vnos nečistoč in kontaminacije vzorca. - Pri drobljenju se zaradi trenja lokalno sprošča toplota, ki povzroči dvig temperature in posledično izgubo lahko hlapnih komponent. - Z drobljenjem rude ali zemlje, ki vsebuje železo Fe 2+, povečamo površino delcev in s tem omogočimo stik s kisikom iz zraka, ki oksidira železo Fe 2+ v železo Fe V primeru higroskopnih materialov se z večanjem površine veča absorbcijo vode iz zraka. - Mnogo lažje drobimo mehkejše snovi kot trše, zato v primeru rud, moramo s sejanjem ločiti trše delce od mehkejših in jih ponovno zdrobiti, sicer izgubimo podatek o sestavi le-teh. - Vzorec ne sme priti v stik z mehanskim delom stroja, ki drobi, sicer pride lahko do kontaminacije vzorca z mazivi in oljem. Vlaga v vzorcih Pri večini okoljskih vzorcev je prisotna voda. Nahaja se v adsorbirani obliki (0-10% mase vzorca), v absorbirani obliki (10-20% mase vzorca) ali kot vkleščena voda (mikroprostorčki v poroznem materialu apnenec). Rezultate v analitiki ponavadi podajamo na suho snov, zato moramo predhodno vzorce, ki vsebujejo vodo sušiti na zraku ali v pečici (1-2 h na ºC). Vrednost vlage v zemlji ni natančno predpisana. Vzorčenje vode in ph vrednost površinskih voda Prvi korak pri izvajanju vseh analiz je vzorčenje, katerega pomembnost je pogosto zanemarjena. Ne glede na to, kako moderne in učinkovite analitske tehnike in aparature uporabljamo v laboratoriju, na koncu analiziramo naš vzorec, ki smo ga prinesli v laboratorij. Vzorec, ki je ponavadi velik od 250 do 500 ml mora biti

3 3 reprezentativen, to pomeni da z precejšnjo gotovostjo zagotavljamo, da predstavlja celoto, ki jo želimo analizirati. Pri prenosu vzorca moramo zagotoviti, da ostane koncentracija našega analita v vzorcu nespremenjena med prenosom in hranjenjem vzorca. Polutanti so pogosto prisotni v zelo nizkih koncentracijah in so lahko hlapni ali visoko reaktivni. Pred začetkom vzorčenja moramo definirati kakšne analize bomo izvajali na vzorcu. Te vplivajo na velikost vzorca, material posode v katerem vzorce prenašamo shranjujemo ter način shranjevanja. Vse to moramo predhodno definirati zelo natančno. Število vzorcev: 1. Na vsakem mestu vzorčenja vzorčimo najmanj v duplikatu (dva vzorca). Seveda je čim večje število vzorcev dobrodošlo, vendar moramo upoštevati tudi dolžino analize, ki nas čaka v laboratoriju, porabo kemikalij, itd. Sama statistična obdelava rezultatov zahteva čim večje število vzorcev. Vzorčenje vode: 1. Kadar vzorčimo vodo, v kateri bomo analizirali kovinske ione uporabljamo polietilenske steklenice, ker le te manj kontaminirajo vzorec s kovinskimi ioni kot steklene (borosilikatno steklo). Polietilenske stelenice izločajo organske substance, steklene pa anorganske (Na, silikat in druge komponente stekla). Edina izjema je v primeru živega srebra, tu uporabljamo raje steklene, ker ioni živega srebra radi reagirajo z organskimi substancami. Vzorec vode moramo ustezno nakisati (ponavadi z dodatkom 2 ml 5M HCl na L vzorca), da preprečimo adsorpcijo kovin na steno posod. 2. Kadar določamo hlapne komponente ali raztopljene pline, je pomembno, da posode napolnimo do vrha. Pri drugih komponentah pa je boljše, če steklenic ne napolnimo do vrha, ker pred analizo take vzorce lahko bolje premešamo. Stabilizacija vzorcev pred analizo: 1. Kadar določamo nitrate, moramo vzorce shraniti na 4 C da zmanjšamo biološko razgradnjo. 2. Ko analiziramo pesticide, vzorce hranimo v temi, da se izognemo fotokemični razgradnji. 3. Pri analizi kovinskih ionov je pomebno, da vzorec vode nakisamo, da preprečimo adsorbcijo ionov na stene posode. 4. V primeru fenolov (hlabne komponente), pa vzorcu vode dodamo natrijev hidroksid, da znižamo hlapnost komponent. 5. Kadar vzorčimo vodo za analizo hlapnih ogljikovodikov uporabljamo steklene posode, ker se ogljkikovodiki zelo radi vežejo na polietilen. Mesta vzorčenja: 1. Če vzorčimo na enem mestu, najprej zagotovimo lahek dostop do vzorčnega mesta. Upoštevati moramo slabše vremenske pogoje. Ko analiziramo tekočo vodo (reke, potoke), moramo zajeti vodo na najbolj reprezentativnem mestu

4 4 (v glavnem toku, na sredini in na enaki globini za vsak vzorec). Seveda včasih to ni izvedljivo. Kadar kontroliramo učinek izpustov v reke, potoke (tekoča voda), moramo vzorce zajeti v zadostni razdalji vzdož toka, tako da se izpust zadovoljivo premeša. Vzorce moramo jemati ob samem izpustu, pa tudi od izpusta navzgor, za lažjo analizo učinka izpusta. ph, kislost in alkalnost vod v okolju ph je povezan s številom vodikovih ionov (H + ) v raztopini po enačbi: ph = - log 10 a (H + ) kjer a (H + ) pomeni aktivnost vodika. Pri nizkih koncentracijah vodikovih ionov prisotnih v naravi je aktivnost vodikovih ionov ekvivalentna koncentraciji ionov. Tipične ph vrednosti voda, ki so v naravi so prikazane na spodnji sliki. ph vrednost je eden izmed kriterijev kakovosti vode. Slika 1: Običajna ph območja vod v okolju (Reeve in Barnes, 1994, str.65). Faktorji vpliva na ph vrednost vod v okolju: 1. Raztopljen ogljikov dioksid (CO 2 ) v vodi CO 2 vstopa v vodo iz različnih virov: iz atmosfere, iz zemlje, kot produkt metabolizma bakterij, ki so v vodi ali kot posledica dihanja vodnih organizmov. Ta raztopljen ogljikov dioksid tvori v vodi šibko kislino (glej spodnjo rekacijo). Neonesnažena deževnica je rahlo kisla (ph 5.6) zaradi prisotnosti raztopljenega CO 2, ki ga absorbira na poti na zemljo. H 2 O + CO 2 (g) H 2 O CO 2 (raztopina) H + + HCO 3-2H + + CO 3 2-

5 5 2. Geološka sestava tal in zemlje na področju voda Kisle in bazične sestavine se lahko v vodo sprostijo iz različnih tipov kamenin in zemlje po katerih voda teče ali na katerih se zadržuje. Na področju kjer je prisoten kalcit (apnenčasta tla-caco 3 ), se iz teh tal sproščajo v vodo karbonati (HCO 3 in CO 3 2- ), kar povzroči višji ph vod. Tako je trda voda je rahlo alkalna. Trdota je posledica prisotnosti polivalentnih kovinskih ionov, Ca 2+ in Mg 2+, ki nastanejo iz raztapljanje mineralov (apnenec, dolomit). Prisotnost karbonatnega iona vodi v nastanek alkalnosti. Raztapljanje apnenca vključuje naslednje ravnotežne reakcije: CaCO 3 Ca 2+ + CO 3 2- CO H 2 O HCO OH - 3. Onesnaženje zraka Prisotnost dušikovih oksidov (NO 2, NO 3 ) in žveplovega dioksida (SO 2 ) v atmosferi vodi v nastnek dušikove kisline (HNO 3 ) in žveplove kisline (H 2 SO 4 ). Te kisline, prisotne v atmosferi lahko resno spremenijo ph vodotokov na zemlji ko padejo na zemljo v obliki kislega dežja ali snega. Dobra pitna voda naj bi imela ph med 5.0 in 9.0. Obstajajo odstopanje med posameznimi državami v oviru tega ranga. V Sloveniji mora imeti voda po izpustu ph vrednost med 6.5 in 9.5. Zelo visoke vrednosti ph (nad 9.5) in zelo nizke (pod 4.5) ne ustrezajo večini vodnih organizmov. Mlade ribe in vodni insekti v zgodnjih obdobjih življenja so izredno občutljive na nizek ph in lahko celo odmrejo pod ph vrednostjo 5.0. Višje ph vrednosti ( ) škodujejo ribam v smislu denaturacije celičnih membran. Vpliv spremembe ph na biološke lastnosti voda najlažje spremljamo po občutljivosti vrst živali, ki so prisotne v vodah na naraslo kislost. Lososi pričnejo upadat pod ph 6.5, ostriži pod 6.0 in jegulje pod 5.5. Poleg bioloških učinkov poznamo tudi kemijske učinke. S padanjem ph narašča topnost kovin. Tako lahko postane uporaba svinčevih vodovodnih cevi pitne vode problem, ko kislost vode naraste. Prav tako postane preperevanje apnenca in dolomita bolj hitro s padcem ph.

6 6 Eksperimentalni del vaje Naloga: - Določite vzorčno mesto za vzorčenje zemlje in za merjenje ph potoka s sondo. Vsako vzorčno mesto (za zemljo in ph) določi ena skupina. Izrišite skico lege vzorčenja in merjenja ph (vnesite cesto, most, križišče in objekte). Skico lege vzorčenja priložite poročilu. Vzorčno mesto označite s številko skupine kateri pripadate. - Na izbranem vzorčnem mestu iz približne površine 2 m 2 odvzamete približno 2 kg zemlje. Področje razdelite na 4 kvadrante in iz vsakega odvzemite približno 0.5 kg zemlje. Zemljo prinesete v laboratorij in jo razprostrete po časopisnem papirju. - Zemljo boste sušili v sušilniku pri 105 C in jo uporabili za nadaljnje analize ph in organskega deleža zemlje pri Vaji 2. Napolnite ¾ 500 ml kozarca z zemljo in jo dajte asistentu, ki jo bo posušil v sušilniku do naslednje vaje. Čašo ustrezno označite. - En del zemlje cca. 50 g, zatehtajte v 100 ml časo. Postopek ponovite 2X. Čaše ustrezno označite in tako pripravljene vzorčke zemlje dajte asistentu, ki jih bo do naslednje vaje posušil v sušilniku pri 105 C. Pri naslednji vaji boste suho zemljo v 100 ml čašah ponovno stehtali in določili vsebnost vode po enačbi: m v masa vlažne zemlje m s masa suhe zemlje mv ms % H 2 O = 100 mv Rezultat podajte s povprečno vrednostjo in standardnim odklonom dveh meritev. - S ph sondo izmerite ph vrednost in temperaturo potoka. Sondo potopite v vodo do polovice, na mestu, kjer se voda najbolj umiri (pri kraju). Pazljivo izberite mesto merjenja z ugodnim dostopom. En študent naj se s sondo spusti do potoka, drugi naj spremlja vrednost na zaslonu merilca in potem ko se vrednost umiri (na zaslonu se izpiše READ), pritisne na tipko HOLD, da blokira izmerjeno vrednost. Na zaslonu ph metra odčitajte poleg ph vrednosti tudi temperaturo. Rezultat komentirajte. Rezultat ph vrednosti podajte ob izmerjeni temperaturi.

7 7 VAJA 2 : Določevanje ph zemlje in organskega deleža v zemlji Teoretično ozadje Določevanje ph zemlje ph zemlje je odvisen od kameninske osnove, klime, naravne vegetacije in poljedelstva. Tla s ph pod 7.0 so kisla tla, s ph nad 7.0 pa bazična. Vrednost ph zemlje je pomembna zlasti v intenzivnem kmetijstvu, saj močno vpliva na primarno produkcijo rastlin. Privzem mikro in makro hranil ter toksičnih spojin v rastline je odvisen od ph vrednosti zemlje. Tako je večina mikroelementov: Zn 2+, Fe 3+ bolje dostopna rastlini v kislem, anionske oblike kovin SeO 3 2-, CrO 4 2- pa v bazičnem. Slika 1: Privzem hranil v odvisnosti ph. Sestava zemlje je zelo raznolika in se glede na lego močno spreminja. Glavne komponente, ki vključujejo: glinene delce, Al(OH) 3, Fe(OH) 3, razne aluminijeve in železove okside, hidro-okside, organske snovi s fulvinskimi in huminskimi kislinami ter karbonatni del dajejo zemlji puferni značaj. Na površini teh delcev prihaja do različnih kemijskih in fizikalnih procesov. Adsorbcija spojin na zemeljskih koloidih Adsorbcija je fizikalni proces, pri katerem se ioni (pozitivni ali negativni) v raztopini vežejo na površino suspendiranih trdih delcev nasprotnega naboja. Transport ionov v vodnem mediju se v tem primeru odvija s pomočjo gibanja suspendiranih delcev med posameznimi plastmi. Izraziti adsorbenti so različni kovinski oksidi (Fe 2 O 3, Al 2 O 3 ter njuni hidroksidi) in glinasti delci, organske kisline huminske in fulvinske. Na meji trde in tekoče faze so ioni vezani na površino trdih delcev, vendar lahko prosto reagirajo s komponentami v raztopini. Naboj na površini delcev pozitiven ali negativen je odvisen od ph. Primer razlage na železovih hidro-oksidih.

8 8 HO OH - O Fe M + desorpcija Fe Fe M + adsorpcija Fe Fe OH 2 + HO Fe Fe OH - O Fe Fe Fe Fe Fe OH 2 + HO OH - O ph pod 7 ph nad 7 H + OH - Slika 2: Adsorbcija spojin na zemeljskih koloidih.

9 9 ph območje za večino tal je med 5.5 in 7.5. H kislosti zemlje pripomorejo padavine, ki spirajo iz zemlje bazične katione: Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+ ; ogljikov dioksid, nitrate, sulfate, ki se sproščajo kot rezultat razgradnje organske snov in v stiku z vodo tvorijo kisline. Namesto bazičnih kationov pa se nato na izmenljiva mesta v zemlji vežejo H + ioni, ki posledično zemlji znižujejo ph. Izmenljivi H + je glavna komponenta pri nižanju ph do vrednosti 6.0. Ko pa pade ph pod 6.0, postane vir H + izmenljivi Al, zaradi disociacije v vodi. Reakcija: Al 3+ + H 2 O Al(OH) 3 + 3H + Če se nahaja zemlja v karbonatnem predelu mineralne osnove, ima zemlja bazične lastnosti. S spiranjem take zemlje prihaja v talno raztopino višja koncentracija karbonatnih anionov, ki višajo ph zemlje po spodnji reakciji: CaCO 3 + H 2 O Ca 2+ + HCO OH - Nasplošno velja, če ima zemlja: - ph < 4 vsebuje prosto kislino kot rezultat oksidacije organskih spojin (humusna tla); - ph < 5,5 vsebuje velik del Al glin (glinena tla); - ph < 7,8 je vpliv kationov in anionov različen, nihče ni dominanten; - ph > 7,8 vsebuje CaCO 3 (apnenečasta tla). Organski delež zemlje Organski delež zemlje je podatek o kvaliteti in sestavi zemlje. V intenzivnem kmetijstvu je to merilo, ki nam narekuje nadaljno gnojenje in obdelavo zemlje. Pod pojmom skupni organski delež zemlje razumemo vse organske sestavine v zemlji, med katere spadajo tudi nerazpadle, odmrle živali in rastline, njihovi delni razpadni produkti in zemljina biomasa. Organski delež je sestavljen iz številnih delov: 1. Živi mikroorganizmi v zemlji (npr. gljive, bakterije), ki zelo hitro razpadejo potem ko odmrejo. 2. Delno razpadli mikrobi in grobi deli rastlin. 3. Odporna ali stabilna organska snov, ki nastane z razgradnjo miokroorganizmov in rastlin, imenovana tudi humus (zelo počasi razpada). Delimo jo na: Huminske substance- vrsta relativno visokomolekularnih rjavo do črno obarvanih spojin: huminske kisline, fulvinske kisline. Nehuminske substance: ogljikovi hidrati, lipidi, amino kisline. Kemijsko lahko organski delež zemlje razvrstimo kot: 1. Visokomolekularne spojine kot so polisaharidi in proteini. 2. Enostavne spojine kot so monosaharidi, aminokisline in druge manjše molekule. 3. Huminske substance.

10 10 Učinki organske snovi v zemlji so kemijski in fizikalni: Kemijski: Ko organska snov razpade, se v zemljo sprostijo številni mikro in makro nutrienti kot so dušik (N), fosfor (P), žveplo (S) in drugi. Organska snov je poleg gline pomemben vir kationske izmenjevalne kapacitete zemlje. Kationska izmenjevalna kapaciteta predstavlja mesta v zemlji, ki lahko vežejo pozitivno nabite makro nutriente kot so kalcij (Ca 2+ ), magnezij (Mg + ) in kalij (K + ), ki jih rastline potrebujejo za rast. Povečamo jo z večanjem organskega deleža v zemlji. Fizikalni: Organska snov rahlja zemljo z nastankom večjega števila por. Z večanjem organskega deleža se gostota zemlje niža (postane manj kompaktna) in tako se strukutura zemlje izboljša. To pomeni, da se delci peska, gline in mulja v zemlji združijo in oblikujejo agregate ali mrvice zemlje. Z naraščanjem števila por zemlja lahko zadrži več vode in zraka. To pomeni tudi, da rastline, ki rastejo v taki zemlji niso izpostavljenje vplivu suše ali pomanjkanju vode. V rahli zemlji tudi korenine lažje rastejo. Organska snov zemlje prispeva k produktivnosti zemlje, vendar ne obstaja direktne povezave med produktivnostjo in organskim deležem zemlje, saj produktivnost zavisi od kultivarja. Mnogi pridelovalci zagotavljajo ustrezen organski delež z kolobarjenjem različnih kultivarjev. Pri številnih tipih zemelj zagotavlja relativno nizek organski delež (2-4%) ustrezne fizikalne lastnosti zemlje, ki omogočajo optimalno produktivnost zemlje. Če obdelava zemlje poteka tako, da je organski delež stabilen in ne pada, višja vsebnost organske snovi (npr. 8%) ne pomeni nujno, da je ta zemlja bolj rodna kot zemlja, ki ima manj organske snovi (npr. 5%). Določevanje organskega deleža temelji na eni izmed dveh navedenih metod: zmanjšanje mase zaradi izgube organskega deleža: oksidacija s H 2 O 2, sežig (z močnimi kislinami), sežig (z močnimi kislinami) po razklopu silikatov s HF; določevanje deleža posameznih spojin - specij, ki jih običajno najdemo kot predstavnike, s konstantnim deležem, v organski snovi: delež dušika, delež ogljika. Določevanje organskega deleža na osnovi zmanjšanja mase velikokrat podleže napakam, ki nastajajo zaradi hlapnosti spojin, ki ne predstavljajo organskega deleža (voda, ogljikov dioksid iz karbonatov, strukturni ogljikovi hidrati) in zaradi nepopolne oksidacije karbonatnega dela. Poleg tega so te metode zelo zamudne. Določevanje organskega deleža s pomočjo določanja dušika (N) se ne uporablja pogosto, ker delež N v organski snovi zemlje zelo močno niha glede na tip zemlje. Ta metoda se namreč lahko uporablja samo pri podobnih tipih zemlje (samo humusna, samo flišnata, samo peščena zemlja, ).

11 11 Najpogosteje uporabljamo določevanje organskega deleža s pomočjo ogljika. Ogljik določimo lahko na več načinov: 1. suhi razklop in meritev sproščenega CO 2 (po odstranitvi karbonatov), 2. oksidacija s krom (VI) kislino in meritev sproščenega CO 2 (po odstranitvi karbonatov), 3. oksidacija s krom (VI) kislino in meritev oksidiranih spojin (zunanji sežig), 4. oksidacija s krom (VI) kislino in meritev oksidiranih spojin (spontani sežig). Suhi razklop (sežig v kisikovi atmosferi) meri totalni ogljik, medtem ko metode s krom (VI) kislino pa merijo hitro in lahko oksidirane ogljikove spojine (ogljik v grafitni obliki ne oksidira krom (VI) kislina). Razklopi oz. oksidacije, po katerih merimo sproščeni CO 2 zahtevajo posebne aparture s katerimi lovimo plin. Poleg tega so take metode neuporabne pri velikem številu vzorcev, razen če imamo relativno drago aparaturo za avtomatsko merjenje sproščenega CO 2. Iz povedanega sledi, da običajni laboratoriji za določanje kakovosti zemlje uporabljajo oksidacije s krom (VI) kislino. Metodi pod točko 3. in 4. se razlikujeta po izvoru in količini toplote reakcije oksidacije. Metoda pod točko 3. uporablja zunanji vir toplote, ki omogoča višjo temperaturo reakcije oksidacije, kot jo lahko pridobimo z redčenjem koncentrirane H 2 SO 4, ki jo uporablja metoda pod točko 4. Iz tega sledi, da je reakcija v metodi 3. mnogo hitrejša in oksidacija popolnejša, vendar je za dosego ponovljivih rezultatov potrebna stroga kontrola pogojev analize (zlasti temperature). Ker pa te metode zahtevajo bodisi ekstremno agresivne reagente ali visoke temperature ali oboje, je v zadnjem času pozornost usmerjena predvsem v metode, kjer ne uporabljamo kromove kisline. Eksperimentalni del Naloga: - določite ph zemlje v treh medijih: deionizirani vodi, 1 M KCl in 0,01M CaCl 2 (pripravite sami v 1000 ml bučke). - določite organski delež glede na delež zmanšane teže po oksidaciji s H 2 O 2. Izvedba: 1. Določitev ph zemlje v treh medijih Obstajajo tri glavne mednarodno priznane metode merjenja ph zemlje. Pri vseh treh metodah je potrebno 1 do 2 ure zemljo v vodni raztopini mešati, da se vzpostavi ravnotežje med zemljo in vodno raztopino in šele po dveh urah lahko izmerimo ph vrednost. Posušeno zemljo homogenizirajte z drobljenjem in presejte skozi sito velikosti odprtin 1 mm x 1 mm. Presejano zemljo boste uporabili za analizo ph in organskega deleža.

12 12 Analiza ph Sestavite ph meter in ga umerite po priloženih navodilih na 2 točke (ph 4.0, 7.0). Po uspešni kalibraciji lahko pričnete z izvajanjem analize ph. 1. V 100 ml čašo odtehtajte 10 g zemlje in prelijete z 50 ml deionizirane vode. 2 uri mešajte s stekleno palčko in po dveh urah izmerite ph vrednost. To je najbolj enostavna metoda in je ponavadi dovolj dobra za določevanje ph. S to metodo ne odstranimo H + ionov iz izmenljivih mest in ni najboljša metoda, če zemlja vsebuje visok delež soli. 2. V 100 ml čašo odtehtajte 10 g zemlje in dodajte 50 ml 1 M KCl. 2 uri mešajte s stekleno palčko in po dveh urah izmerite ph vrednost. To metodo uporabljamo, da zabrišemo razliko v primeru, da zemlja vsebuje visok delež soli. Uporabna je, ko določamo izmenljive katione. Dodani K + ioni namreč izrinejo vse H + ione iz izmenljivih mest in rezultat je nižji ph. 3. V 100 ml čašo odtehtajte 10 g zemlje in dodajte 50 ml 0,01M CaCl 2. 2 uri mešajte s stekleno palčko in po dveh urah izmerite ph vrednost. Ta metoda je srednja pot med prvima dvema. Na ta način zakrijemo le majhen del razlik nastalih zaradi deleža soli v zemlji. 2. Določitev organskega deleža v zemlji 100 ml čašo segrejte na 220 C, ohladite v eksikatorju in stehtajte. 500 mg presejanega vzorca suhe zemlje prenesite v stehtano čašo, dodajte 1 ml 30% H 2 O 2 in pokrijte z urnim steklom (uporabljajte zaščitna očala in rokavice!) ter prenesite v sušilnik. Po 20 min ohladite čašo na zraku in jo ponovno stehtajte. Ponovno dodajte 1 ml 30% H 2 O 2 in segrevajte znova 20 min na 220 C. Ohladite in stehtajte! Če je masa konstantna, ste nalogo končali, sicer postopek ponovite. Vsaka skupina določi organski delež v svojem vzorcu 2X. m s masa suhe zemlje m k končna masa zemlje po končanem postopku oksidacije organskega deleža ms mk % organskega dela = 100 ms Skrbno opišite uporabljene pripomočke (steklovina, aparature, kemikalije..) in potek analiz. Oba rezultata, ph vrednost in organski delež podajajte ob izmerjeni vrednosti vlage iz prejšnje vaje.

13 13 Vaja 3: Določanje svinca (Pb 2+ ) v vodni raztopini z ionoselektivno elektrodo (ISE) Teoretično ozadje Široka uporaba svinca v naši družbi postavlja svinec kot najbolj študiran toksičen element. Največji izvor svinca v okolju predstavljajo izpušni plini kamionov, kateri uporabljajo gorivo z dodanimi sestavinami na osnovi svinca. Ostali viri svinca v okolju so še vodovodne cevi iz svinca, pološčena lončarska posoda, stara kositerna posoda, barve na osnovi svinca ter spajke pločevinstih konzerv. Onesnaženje svinca je v okolju prisotno tako v zemlji kot v vodi. Med deževanjem Pb 2+ tvori karbonate in se lahko vključuje v minerale gline v obliki Fe in Mn oksidov ter v organsko snov. ph vrednost zemlje in organska snov zemlje vplivata tako na topnost svinca kot na prenos. Pri visokih ph vrednostih se svinec lahko obori kot hidroksid, fosfat ali karbonat kot tudi lahko nastanejo Pb-organski kompleksi. Svinec se v vodi nahaja v različnih oblikah in zavisi od vrste vode, velikosti prisotnih delcev (anorganski koloidi), ph in prisotnosti slabo topnih trdnih delcev (fosfati, karbonati, sulfati in oksi-hidroksilne specije). Najpogostejši problem s povečano prisotnostjo svinca v vodi je povezan s rudniki, svinčeno vodovodno napeljavo ter odtoki iz cest in avtocest. Vode v naravi vsebujejo svinec v koncentraciji od 0.1-1µg/L. Direktiva EU (Europeian Community Environmental Quality Directive-EC 80/778/ECC) omejujuje vsebnost svinca v pitni vodi z koncentracijo 50 µg/l in do 100 µg/l v vodi za napajanje živine. Uporaba svinčeve vodovodne napeljave v velikih urbanih naseljih lahko poveča vsebnost svinca v vodovodni vodi preko 100 µg/l. Priprava okoljskih in bioloških vzorcev za analizo svinca potrebujejo posebno obdelavo med samim zbiranjem in v postopkih priprave za analizo. Ker je vezan svinec ponavadi na različne delce je pomembno uporabiti ustrezen tip filtracije. Topnostni produkti pogostih svinčevih spojin v naravi so pogosto zelo nizki, zato je nakisanje vodnih vzorcev (ph vrednost od 6-4) pomembno za povečanje topnosti različnih svinčevih spojin. Ionoselektivne elektrode Ionoselektivne elektrode so membranske indikatorske elektrode, ki so občutljive na specifične ione v raztopini, kjer so prisotni tudi drugi ioni. Ena najbolj uporabljenih ionoselektivnih elektrod je ph elektroda, ki zaznava koncentracijo H + ionov v raztopini. Na tak način lahko merimo tudi fluoridne ione, bromidne ione, kadmijeve, svinčeve. Lahko merimo tudi pline v raztopini kot so: amonijak, ogljikov dioksid in dušikov dioksid. Najvažnejši deli vsake ionoselektivne elektrode (ISE) so membrana (steklena, trdna, tekoča), notranja referenčna elektroda in notranja referenčna raztopina, ki je med

14 14 referenčno raztopino in membrano. Ponavadi so ISE povezane z zunanjo referenčno elektrodo (kalomelova elektroda najpogosteje) preko merilca napetosti. Napetost obeh referenčnih elektrod je konstantna, vsaka sprememba v napetosti, ki jo zazna voltmeter je posledica spremembe potenciala vzdolž membrane ISE. Ta pa je odvisna je od koncentracije specifičnih ionov v raztopini, na katere je membrana občutljiva. Specifičnost vsake ISE je odvisna od membrane. Pojem membrana pogosto povezujemo s prepustnostjo, vendar v primeru ISE membrana označuje vsak material vzdolž katerega se lahko razvije naboj. Svinčeva ISE je najpogosteje kombinirana trdna elektroda (membrana v trdnem stanju). Kombinirana pa zato, ker sta v eni kompaktni celici združeni notranja referenčna in delovna elektroda. Kako pa je potencial člena (mv) v povezavi s koncentracijo? Obe elektrodi (referenčna in ionoselektivna), ki sta povezani preko merilca napetosti, sestavljata galvanski člen. Med njima obstaja napetostna razlika, ki jo imenujemo napetost galvanskega člena. Pri galvanskem členu, ki ga sestavljata ionoselektivna elektroda in referenčna, napetost člena ponavadi izračunamo po osnovni formuli za napetost galvanskega člena (1): E člena = E ise - E ref (1) (1) Napetost ionoselektivne elektrode je po Nernstonovi (pri 25 C) enačbi sledeča (2): 0 0,0591 E ise = E + z Enačbo (2) vstavimo v enačbo (1) in zapišemo: 0 E = E + člena n+ ise log[ M 0,0591 z n+ ise log[ M ] (2) ]- E ref (3) 0 Razlika med standardnim elektrodnim potencialom ionoselektivne elektrode (E ise ) in potencialom referenčne elektrode (Eref ) je konstantna in jo lahko označimo s K. Enačbo (3) preoblikujemo v spodnjo zvezo: 0,0591 n+ E člena = K + log[ M z ] (4) Enačba (4) predstavlja zvezo med napetostjo člena in koncentracijo analita v raztopini. K je konstanta, z pa naboj iona. Po enačbi (3) vidimo, da je napetost takega člena (E člena ) v linearni povezavi s logaritmom koncentracije ionov v raztopini n+ M z naklonom premice = 59 mv/z. Podatki iz literature kažejo, da je naklon za [ ] + svinčevo ISE pri 25 C 26 ± 3 / log [ Pb. Prednost v logaritemski skali je v velikem dinamičnem območju, vendar hkrati zaradi logaritemske povezave občutljivost pada. 2 ]

15 15 Pri merjenju z ISE je potrebna izdelava umeritvene krivulje. Izmerimo potenciale različnih standardnih raztopin in izdelamo umeritveno krivuljo (potencial v odvisnosti od logaritma koncentracije). Razen pri ph elektrodi in fluoridni ionoselektivni elektrodi na potencial ISE lahko vplivajo tudi številni drugi ioni, prisotni v raztopini. To pomeni, da tudi drugi ioni lahko povečajo potencial elektrode in tako da potenciometer višji signal od resnične vrednosti. Lahko se zgodi zaradi naslednjih treh pojavov: 1. Med površino membrane in raztopino pride do ionske izmenjave tudi z drugo vrsto ionov in ne samo z ioni, za katere je izdelana elektroda. 2. Ioni v raztopini lahko reagirajo kemijsko z ionom, ki ga določujemo. Spremeni se aktivnost iskanega iona v raztopini in s tem tudi potencial elektrode. 3. Od koncentracije vseh ionov v raztopini je odvisna ionska jakost raztopine in s tem tudi srednji aktivnostni koeficient merjenega iona. Svinčevo ionoselektivno elektrodo lahko motijo Hg 2+, Ag 2+, Cu 2+ koncentracije Fe 2+ in Cd 2+ ionov. ioni, ter visoke Za ponovljive meritve moramo pri izvajanju meritev z ISE elektrodami paziti na naslednje: 1. Če določamo koncentracijo ionov v raztopini z ISE iz umeritvene krivulje, mora biti ionska jakost standardnih raztopin za umeritveno krivuljo čim bolj enaka ionski jakosti vzorca. V analizni praksi ponavadi ne določujemo ionske jakosti standardnih in analiznih raztopin, temveč jo uravnavamo z dodatkom inertnega elektrolita (lahko KNO 3, NaNO 3 ). Če je koncentracija dodanega elektrolita v analizni raztopini dovolj visoka, je prispevek ostalih ionov k ionski jakosti analizne raztopine zanemarljiv. 2. Temperatura: Temperatura raztopin mora biti kontrolirana. Sprememba tega parametra lahko povzroči velike napake. Razlika v 1 C lahko povzroči napako merjenja 4%. Optimalna temperatura svinčeve elektrode je 25 C. 3. Pri merjenju s ISE moramo raztopino dobro mešati med analizo. Vsi vzorci se morajo mešati z enako hitrostjo. To zagotavlja konstanten svež dotok ionov v območje detekcije ISE. Hitrost mešanja naravnamo tako, da raztopino mešamo brez turbulenc. 4. Odzivni čas: Signal se pri ISE elektrodah zelo počasi umiri (odvisno od referenčne elektrode). Pri merjenju standardnih raztopin moramo počakati tudi do 15 minut, preden odčitamo vrednost potenciala na voltmetru. 5. Pri izdelavi umeritvene krivulje potrebujemo vsaj tri standardne raztopine (dobra umeritvena krivulja ima 6 točk), da pokrijemo celotno območje merjenja naših vzorcev. Če je naš vzorec v območju 100 ppm, potem pripravimo standardne raztopine s koncentracijo 10 ppm, 100 ppm in 1000 ppm. 6. Spiranje elektrode: Med zaporednimi meritvami je ISE potrebno spirat s šibkim curkom destilirnane ali deionizirane vode. Elektrode ne osušimo s krpo, veliko

16 16 bolje je, da kapljice vode iz elektrode otresemo, pri čemer seveda pazimo, da je ne poškodujemo. Eksperimentalni del vaje 1. Določite prisotnost svinčevih ionov v vodovodni vodi in vodi iz potoka (iztok is bencinske črpalke) s svinčevo ISE. Iz navodil Vaje 1 izberite primerno posodo vzorčenja, vse potrebne postopke pri vzorčenju vode, količino vzorca in potrebne ponovitve vzorcev. 2. Izdelajte umeritveno krivuljo za svinčevo ISE v območju od 1 do 1000 ppm (0.1, 1, 10, 100, 1000 ppm) Pb 2+. Pripravite 1000 ppm Pb 2+ v deionizirani vodi (kot Pb(NO 3 ) 2 ) v 100 ml bučko, tako da zatehtate g Pb(NO 3 ) 2, ga prenesete v 100 ml bučko in jo dopolnite z deionizirano vodo do oznake. Ostale raztopine pripravite z 10 x redčenjem najprej osnovne, matične raztopine standarda (1000 ppm) prav v 100 ml bučko, da dobite raztopino z 100 ppm, le to naprej v 10 ppm raztopino, v 1 ppm raztopino in nato v 0.1 ppm raztopino.vsako pripravljeno standardno raztopino po pripravi takoj prenesemo v polietilensko (PE) steklenico. 3. Merjenje z ISE in referenčno kalomelovo elektrodo izvajamo v polipropilenskih (PP) čašah (100 ml). Postopek: 1. Pred izvajanjem meritev elektrodo najprej umerimo z izdelavo umeritvene krivulje. Izmerite potencial 5 standardnim raztopinam (0.1, 1, 10, 100, 1000 ppm Pb 2+ ), ki jih pripravite z redčenjem osnovne (matične) raztopine Pb 2+ v vodi v koncentraciji 1000 ppm. Vedno najprej merimo potencial raztopinam z nizko koncentracijo in šele nato z visoko! Pazite, da magnetno mešalo med delovanjem ne zadeva v elektrode. Izberite primerno hitrost mešanja še preden potopite elektrode. Konca elektrod (svinčeva in kalomelova) naj bosta vsaj 1 cm nad mešalom. Opozorilo! Če imajo vaši analitski vzorci skupno ionsko jakost višjo kot 0,001 M, ali ph vrednost > 7,0, potem dodajte 2 ml inertnega elektrolita (5 M NaNO 3 ) 100 ml vsake standardne raztopine. Nastalo raztopino dobro premešamo, tako da zagotovimo primerljive aktivnostne koeficiente standardnih in analitskih raztopin ter ustrezen ph raztopine za optimalno delovanje svinčeve ISE (ph = 3-7). 2. Narišite umeritveno krivuljo z logaritemsko skalo (potencial (mv) standardnih raztopin nasproti logaritmu koncentracije (na x os)). Iz umeritvene krivulje odčitajte koncentracijo Pb 2+ v vaših vzorcih. 3. Priprava vzorca Za vzorce z nizko ionsko jakostjo (ph < 7.0) ni potrebna predpriprava vzorcev. Približno 50 do 100 ml vzorca prelijemo v PP čašo, dodamo magnetno mešalo in pričnemo mešati z enako hitrostjo kot smo mešali standardne reztopine. Elektrodi

17 17 potopimo v raztopino in odčitamo vrednost po 2 do 3 minutah (če signal še niha, počakamo do 15 minut pred odčitanjem). Vzorcem, ki imajo visoko ionsko moč ali ph vrednost > 7.0 pa dodamo 2 ml 5 M NaNO ml in dobro premešamo pred merjenjem. 4. Merjenje vzorcev: Med zaporednimi merjenji moramo elektrode dobro oprati s šibkim curkom deionizirane vode. Elektrodo raje otresemo kot osušimo s krpo. Vrednost odčitamo po 2 do 3 minutah po potopitvi elektrod (maksimalno do 15 minut). 5. Rezultati: Koncentracijo Pb 2+ v vodovodni vodi in v vodi iz potoka podajte v ppm (part per milion). Če ste dodali puferno raztopino (5 M NaNO 3 ) tako standardnim raztopinam kot vzorcem preračunavanje ni potrebno, ker so bile vse raztopine razredčene enako. 6. Rezultate komentirajte, če padajo v meje normale zakonskih omejitev ali ne. Kaj je to ppm?

18 18 Vaja 4: Priprava vzorca za HPLC analizo in določanje dušikovih oksidov z Griess-Saltzman-ovo metodo Teoretično ozadje Določanje dušikovih oksidov z Griess-Saltzmanovo metodo Reakcija (1) je pogosta v atmosferi in predstavlja vir troposfernega ozona (2). NO 2 + hν NO + O (1) O + O 2 O 3 (2) Za kontroliranje dušikovih oksidov ( s skupno oznako NO x ) obstaja cela vrsta metod (avtomatiziranih in ročnih), ki so osnovane na spektrofotometriji, fluorimetriji, elektrokemijskih lastnostih, Najprimernejše so avtomatizirane analize, kot je kemoluminiscenca, starejša spektofotometrična pa je metoda po Saltzmanu. Kemoluminiscenčna metoda: Namenjena je predvsem določanju dušikovega monoksida. Pri reakciji (3) se sprošča karakteristična svetloba, katere intenziteto merimo. Če želimo po tej metodi določati dušikov dioksid ga moramo predhodno pretvoriti v dušikov monoksid. NO + O 3 NO 2 + O 2 (3) Saltzmanova metoda: Omogoča določanje le dušikovega dioksida. Osnovana je na reakciji diazotiranja sulfanilne kisline z dušikovo (III) kislino, v katero se ob stiku z vodo pretvori dušikov dioksid (4) 2NO 2 + H 2 O HNO 2 + HNO 3 (4) Za tvorbo azo barvila, na kateri je osnovana določitev je potreben še N-(1-naftil)- etilendiamindihidroklorid (5). Glej reakcijo na naslednji strani!

19 19 H 2 N SO 2 NH 2 + HO N O H 2 N SO 2 N N + H NH 2 CH2 CH 2 NH 3 2Cl H 2 N SO 2 N N H N CH2 CH 2 NH 2 H H 2 N SO 2 N N N CH2 CH 2 NH 2 H H

20 20 Priprava vzorca za HPLC analizo Priprava in čiščenje vzorcev V analizi okoljskih vzorcev (zemlja, živila, voda, ) je potrebno vzorce pred kromatografsko separacijo predhodno pripraviti. Vzorce izpostavimo verižni obdelavi, tako da so na koncu kompatibilni z analizno tehniko, detekcijo in separacijo ter vsebujejo selektivno skoncentriran analit, ki ga določamo. Med pripravo se moramo izogniti kontaminaciji vzorca in odstraniti možne interference iz vzorca. Vzorec mora biti reprezentativen, kar pomeni da prikazuje resnično sliko stanja, v času in prostoru, ki ga želimo analizirati.. Čiščenje zahteva veliko časa in potrpljenja, namenjeno pa je ohranjanju instrumentov, kvalitetnejši separaciji in boljši občutljivosti detektorja. Priprava vzorca pa predstavlja žal tudi največjo napako v analiznem postopku. Klasične metode izolacije spojin iz vzorcev Ekstrakcijo uporabljamo v glavnem za izolacijo spojin iz raztopin in iz trdnih zmesi. Temelji na razliki topnosti sestavin zmesi v dveh topilih (ekstrakcija tekoče tekoče) oziroma razliki topnosti v danem topilu (ekstrakcija trdo - tekoče). Ekstrakcija iz raztopin Če raztopini dodamo neko topilo, ki se s prvim ne meša, dobimo dvofazni sistem (dve plasti). Ko takšno zmes dobro stresamo, spojina, ki jo hočemo ekstrahirati, delno preide v drugo topilo, delno pa ostane v prvem, pravimo da se porazdeli med obe fazi. Če nato obe plasti ločimo in na novo dobljeno raztopino uparimo, dobimo ekstrahirano spojino. Iz povedanega lahko takoj sklepamo, da bo ločitev z ekstrakcijo uspešna le, če bo spojina v dodanem topilu zelo topna. Ravnotežno razmerje koncentracij dane spojine v dveh topilih, ki se med seboj ne mešata, imenujemo razdelilni koeficient (K d ), ki je odvisen od temperature in v bolj koncentriranih raztopinah tudi od koncentracije. K d = c 1 / c 2 Pri čemer je c 1 ravnotežna koncentracija topljenca v prvem topilu in c 2 ravnotežna koncentracija topljenca v drugem. Če je razdelilni koeficient večji od 1, pomeni, da je topljenec bolje topen v prvem topilu kot v drugem. Pri večini ekstrakcij iz raztopin je eno topilo voda, drugo pa neko organsko topilo, ki se z vodo ne meša. Ekstrakcijo običajno večkrat ponovimo, ker hočemo spojino izolirati s čim boljšim izkoristkom. Dokažimo, da je bolje ekstrahirati večkrat z manjšo količino topila kot enkrat z večjo. Recimo, da začnemo z V v ml vode, v kateri je raztopljeno m v g topljenca. Po prvi ekstrakciji z V o ml organskega topila ostane v vodni raztopini m 1 g topljenca, m v - m 1 pa je masa topljenca, ki je prečla v organsko topilo. Iz teh podatkov dobimo izrazeza koncentracijo topljenca v vodi po prvi ekstrakciji: c v = m 1 / V v

21 21 koncentracija topljenca v organski fazi po prvi ekstrakciji; in razdelilni koeficient: c o = (m v -m 1 ) / V o K d = c o / c v = ((m v -m 1 ) / V o ) / (m 1 / V v ). Vedeti želimo, koliko topljenca je po prvi ekstrakciji ostalo v vodni raztopini (m 1 ): m 1 = m v [V v / K d V o + V v ] Po drugi ekstrakciji ostane v vodni raztopini: in po n ekstrakcijah: m 2 = m 1 [V v / K d V o + V v ] = m v [V v / K d V o + V v ] 2 m n = m v [V v / K d V o + V v ] n Za učinkovito ekstakcijo pa je poleg večkratne ponovitve izrednega pomena izbira primernega topila, ki mora zadostovati naslednjim zahtevam: že v hladnem mora dobro in selektivno raztapljati spojino, ki jo hočemo izolirati, ne sme reagirati s spojino, ki jo ekstrahiramo, ne sme reagirati s topilom, iz katerega ekstrahiramo, ravnotežje se mora hitro izpostaviti, razdelilni koeficient naj bo čim večji, po gostoti naj se razlikuje od topila, iz katerega ekstrahiramo, vrelišče naj ne bo previsoko, da ga lahko odstranimo od spojine. Ekstrakcija iz trdih zmesi Spojine lahko tudi iz trdih zmesi izoliramo z ekstrakcijo. Pogoj je le, da je spojina mnogo bolj topna v organskem topilu, kot primesi. Tako lahko na primer uspešno ločimo organske spojine od anorganskih soli, ki so v splošnem slabo topne v organskih topilih. Za ekstrakcijo iz trdih zmesi uporabljamo Soxhletov aparat. V Soxhletovem aparatu topilo segrevamo v bučki, pare kondenzirajo v hladilniku in kondenzat kaplja na trdo zmes, ki smo jo dali v tulec iz filtrirnega papirja in pokrili z vato. Ko raztopina napolni nastavek do višine odtoka, steče po principu natege v bučko in nato se postopek ponovi. Ekstrahirana spojina se nabira v bučki, v tulcu pa ostanejo netopne primesi. Sušenje raztopin Raztopine spojin v organskih topilih, ki jih dobimo na primer pri ekstrakciji iz vodnih raztopin, običajno sušimo tako, da jim dodamo sušilno sredstvo, ki mora zadostiti naslednjim zahtevam: ne sme reagirati s topljencem,

22 22 vezava vode mora potekati hitro, imeti mora veliko sušilno kapaciteto, ne sme se znatno raztapljati v sušeni raztopini, ne sme katalizirati kemijskih pretvorb ( polimerizacija, oksidacija, kondenzacija in podobno), mora biti sorazmerno poceni. Postopek sušenja raztopin s sušilnimi sredstvi: raztopini dodamo manjšo količino sušilnega sredstva, dobro premešamo, zamašimo in opazujemo spremembo. Če ostane raztopina motna ali pa če se sušilno sredstvo vidno navlaži ali celo pretvori v tekočino, moramo dodati več sušilnega sredstva. Izogibamo se dodatku prevelike količine sušilnega sredstva, ker lahko pride do adsorpcije spojine na njegovi površini in s tem do izgub. Po dodatku sušilnega sredstva posodo zamašimo in pustimo stati nekaj minut do pol ure ter nato filtriramo skozi guban filter v suho posodo. Novejše metode izolacije spojin iz vzorcev Danes klasične metode izolacije spojin iz vzorcev (ekstrakcija tekoče tekoče ter ekstrakcija trdo tekoče) zamenjujejo novejše metode, ki temeljijo predvsem na manjši porabi organski topil in s tem manjši količini vnosa»odpadnih«spojin v okolje ter krajšemu času priprave vzorcev. Krajši čas priprave pa pomeni tudi na dolgi rok manjše ekonomsko breme, na kratki rok pa veliko breme. Ponavadi so te metode omejene na visoko specializirane instrumente in orodja, ki so zelo specifični. Tako poznamo»purge and trap«tehniko, SPME (solid phase micro extraction),»static and dinamic headspace«, ki so omejene samo za GC analizo. SPE (solid phase extraction), to je ekstrakcija na trdi fazi, uporabljamo jo za pripravo vzorcev za GC in HPLC analizo, Ekstrakcija na trdi fazi (SPE) Pri tej tehniki uporabljamo mini ekstrakcijske kolone, diske ali vlakna (SPME solid phase micro extraction). Ekstrakcija temelji na porazdelitvi, adsorpciji, afiniteti ali ionski izmenjavi našega analita na polnilu. Kolona ima obliko klasične brizge, ki ima na dnu polnilo 40 µm (različna polnila v odvisnosti od našega analita), nad polnilom je 20 µm frita iz polipropilena. V zgornji del nalijemo naš vzorec (od µl do L), ki nato potuje skozi frito in polnilo. Na polnilu so vezane selektivne funkcionalne skupine, na katere se veže naš analit, ostali del vzorca pa potuje skozi kolono. S selektivnim topilom nato naš analit speremo s kolone in skoncentriramo v željenem topilu.

23 23 Eksperimentalni del vaje Naloga Določite vsebnost dušikovih oksidov v zraku. Princip Metoda temelji na absorpciji NO 2 v raztopino in posledično v tvorbi rožnato obarvane azo-spojine. Absorbanco raztopine izmerimo pri 550 nm, njeno masno koncentracijo pa preračunamo iz absorbanc standardnih raztopin NaNO 2 po Lambert-Beerovem zakonu: A = - log (I/I o ) = 1 - T = ε l c Reagenti voda brez prisotnih nitritov V primeru, da se pri pripravi absorpcijske raztopine pojavi rožnata barva, pomeni, da so v destilirani/deionizirani vodi, že prisotni nitriti, zato moramo tako vodo predestilirati in predhodno dodati KMnO 4 in Ba(OH) 2 ; N-(1-naftil)etilendiamin dihidroklorid 0,1% standardno raztopino N-(1-naftil) etilendiamin dihidroklorida, ki jo hranimo v hladnem in v temi; absorbcijska raztopina v litrsko steklenico raztopimo 5,0 g brazvodne sulfanilne kisline (ali 5,5 g sulfanilne kisline monohidrat) v 1L 14 vol% ledocetne kisline (140 ml v 1 L deionizirane vode). Dodamo 20 ml standardne raztopine N-(1-naftil)etilendiamin dihidroklorida in 10 ml acetona (voda za pripravo raztopin ne sme vsebovati raztopljenih nitritov!!). Taka raztopina je stabilna 3 mesece v hladnem in v temi. NaNO 2 Pripravimo standardno raztopino s koncentracijo 246 mg/l (stabilna tri mesece) in delovno raztopino s koncentracijo 24,6 mg/l neposredno pred merjenjem. Kalibracija in standardizacija Določanje dušikovih oksidov po omenjeni metodi, temelji na empiričnem dejstvu, da: 0,82 mol NaNO 2 ustreza 1 mol NO 2, ali 1 ml delovne raztopine vsebuje 24,6 µ g NaNO 2, kar je ekvivalentno 20 µg NaNO 2. 5-im 25 ml bučkam dodamo 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 in 1 ml delovnih raztopin NaNO 2, in razredčimo do oznake z absorbcijsko raztopino. Mešamo in počakamo 15 min, da se razvije barva. Pomerimo absorbanco na spektrofotometru pri 550 nm. Izrišemo umeritveno krivuljo odvisnosti absorbance od koncentracije nitritnih ionov.

24 24 Meritev dušikovih oksidov Pripravimo merilni instrument. Odpipetiramo absorbcijsko raztopino (V a = 50 ml) v 1. posodo, v 2. posodo damo bazično raztopino, da nevtraliziramo kisel zrak, ki prihaja iz prve raztopine in nato črpamo zrak skozi posode. Pretok naj bo nad 0,4 L/min za min oz. dovolj dolgo, da se barva razvije. Zabeležimo pretok (φ) in čas vzorčenja (t). Izmerimo temperaturo (T) in atmosferski tlak (P). 15 min po končanem vzorčevanju prenesemo vzorec v kiveto in izmerimo absorbanco (A). Izračun Pri izračunu moramo najprej volumen zraka pri realnih pogojih pretvoriti v volumen zraka pri standardnih pogojih (V R ), T 0 = 298,15 K in P 0 = 101,3 kpa: V R = φ * t * P * T 0 / T * P 0 Koncentracijo NO 2 v vzorcu nato izračunamo iz naklona umeritvene premice (k), z upoštevanjem empiričnega faktorja (F=0,82) pretvorbe nitritnega iona v NO 2 : Interference C NO2 = A * V a / F * k * V R Motnje lahko pričakujemo zaradi vpliva SO 2, ki nam lahko nekoliko razvito barvo pobledi. V ta namen dodamo aceton, ki ta proces bistveno upočasni, zato lahko barvo merimo tudi po 4 do 5 urah. Na intenziteto barve vplivajo, še prisotnost ozona in nekaterih drugih spojin, ki pa so ponavadi v zelo nizkih koncentracijah v zraku. Pozitivne interference pa lahko pričakujemo tudi s strani ostalih dušikovih oksidov, ki jih ponavadi najdemo v ozračju. Priprava vzorca za HPLC analizo Pri današnji vaji boste iz vode ekstrahirali pesticid in tako pripravili vzorec za analizo imidiakloprida pri vaji Tekočinska kromatografija. Iz začetne raztopine 100 ppm pripravite v 25 ml merilne bučke standardne raztopine imidakloprida z naslednjimi koncentracijami: 5 mg/l, 2 mg/l, 1 mg/l. Po uporabi te raztopine tudi shranite v vialah, ki jih ustrezno označite. Uporabili boste postopek ekstrakcije na trdnem nosilcu (SPE). V glavnem postopek SPE poteka v treh korakih: kondicioniranje-nanos vzorca-spiranje analita. Kondicioniranje je potrebno, da potem kolona maksimalno zadrži naš analit, ki ga kasneje z izbranim topilom speremo.

25 25 Postopek ekstrakcije: 1. Kolono C 18 (100 mg) najprej prekondicionirate tako, da nanesete najprej 2 ml metanola, in nato še 2 ml deionizirane vode. 2. Na tako pripravljeno kolono nanesete 5 ml raztopine pesticida (standardne ali neznane). Po nanosu vzorcev kolono večkrat prepihate z zrakom. 3. Adsorbirane snovi eluirate z metanolom (V = 1 ml) v hruškasto oblikovano bučko za rotavapor. 4. Topilo odparite v vakuumu pri 40 C in suhi preostanek v bučki raztopite v 1 ml acetonitria-vode (20:80, v/v). Nastalo raztopino kvantitativno prenesete v viale, zaprete z aluminijastimi pokrovčki ter ustrezno označite z datumom priprave, številko skupine kateri pripadate in številko paralelke ekstrakcije (napr. Skupina 6, datum priprave , prva paralelka ekstrakcije se označi: /6/1). Tako pripravljene vzorce shranite v zmrzovalniku. 5. Postopek ekstrakcije ponovite (od točke 1. pa do točke 4. ) na vseh vzorcih standardnih raztopin ter na vzorcu vode z neznano količino pesticida (Vzorec 1). Ekstrakcije vseh teh vzorcev izvajate v dveh ponovitvah!