Embed Size (px)
Citation preview
Instrumentele chemische analyse - lab
Moleculaire absorptie fotometrie
Evelyne De Jonghe
Felix Smout
Onder begeleiding van S. Arickx
2de jaar bachelor in de chemie
02/03/’12
Katholieke Hogeschool Leuven Departement Gezondheidszorg en Technologie Herestraat 49 3000 Leuven
Tel. +32 16 37 52 00 Fax +32 16 37 52 99 [email protected]
1
Inhoud
1. Doel ................................................................................................. 2
2. Principe ............................................................................................ 2
3. Werkwijze ......................................................................................... 4
3.1. Bereidingen .................................................................................... 4
3.2. Werkwijze ...................................................................................... 6
4. Meetresultaten en analyse................................................................... 7
4.1 Opstellen van absorptiekrommen van gekleurde oplossingen ................ 7
4.2 Analyse van een enkelvoudige oplossing ............................................ 9
4.3 Analyse van een binaire oplossing ................................................... 11
5. Besluit ............................................................................................ 14
Chemische reagentia en veiligheid .............................................................. 15
Referenties .............................................................................................. 17
2
1. Doel
De spectra van een kaliumpermanganaat-, kaliumdichromaat- en een
kopersulfaatoplossing worden visueel waargenomen met een spectroscoop en gemeten met een spectrofotometer. Uit de meetresultaten worden de golflengten
geselecteerd waarbij KMnO4 en K2Cr2O7 een maximale absorbantie vertonen. Bij deze twee golflengten worden telkens twee ijklijnen opgesteld door de absorbantie van ijkoplossingen te meten. Uit deze ijklijnen wordt de concentratie
van een KMnO4-oplossing bepaald met behulp van interpolatie. Ook wordt de massa bepaald van elke component in een onbekend staal dat KMnO4 en
K2Cr2O7 bevat. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van de wet van Lambert-Beer en de opgestelde ijklijnen.
2. Principe
Absorptiegebied De lichtbron van een spectroscoop is een gloeilamp die polychromatich zichtbaar
licht (= wit licht) uitzend. Doordat chemische verbindingen bepaalde kleuren uit het witte licht absorberen, komen ze als gekleurd voor. De aanwezigheid van een dispergerende prisma in de spectroscoop zorgt dat de verschillende kleuren
kunnen waargenomen worden. Donkere banden in het spectrum wijzen op de absoprtiegebieden van de gekleurde oplossing. [1]
Figuur 1: spectrum zichtbaar licht [2]
Absorptie van licht
Absorptie kan ontstaan wanneer er elektromagnetische straling op een materie invalt waardoor er interactie tussen het licht en de materie onstaan, de materie
kan hierbij een deel van de lichtintesiteit opnemen. [1] Een spectrofotometer gaat de absorptie van het uitgezonden licht meten om de
concentratie van een bepaalde stof te kunnen bepalen. Door een bundel monogchromatisch licht met intensiteit I0 door een homogeen midden te sturen
zal de intensiteit van het licht afnemen omdat het midden een deel van het licht absorbeert. I0 wordt eerst gecorrigeerd m.b.v. een blanco cuvet waarin zich alleen het solvent bevindt. Op deze manier wordt de absorptie van het licht door
het solvent niet meegerekend. De intensiteit I wordt dan gemeten door de detector waardoor de transmissie T bepaald kan worden:[1]
De mate van de afzwakking van de intensiteit wordt dan gegeven door de Wet van Lambert:
Waarbij
3
k: de evenredigheidsconstante of absorptiviteit ( )
De wet van Beer geeft het verband tussen de absorbantie en de concentratie weer:
De gecombineerde wet van Lambert-Beer:
Vaak wordt de transmissie in % transmissie (%T) weergegeven.
Dan is:
Daaruit volgt:
Spectrofotometer
De bovenstaande gegevens kunnen verkregen worden door gebruik te maken van een spectrofotmeter (figuur 2). Hierbij zal de monochromator de golflengten
selecteren die door het cuvet moeten gaan en de fotocel de lichtintensiteiten omzetten in elektrische stroom. Deze elektrische stroom kan gemeten worden door een galvanometer. [1]
Figuur 2: schematische voorstelling spectrofotometer [3]
Absorbantie van mengsels
Bij een mengsel bestaande uit twee componenten zal de absorbantie van dat mengsel gelijk zijn aan de som van de twee absorbanties van elk component
afzonderlijk.
4
Indien voor elk component afzonderlijk de wet van Lambert-Beer geldt:
Waarbij d: de optische weglengte doorheen de oplossing (cm)
c: de concentratie (mol/l)
: de molaire absorptiecoëfficiënt (l mol-1 cm-1)
De weglengte d is gegeven, de -waarde wordt door de ijking bepaald en Atot wordt gemeten, zodat er één vergelijking met twee onbekenden overblijft. Daarom worden de metingen bij twee verschillende golflengten uitgevoerd.
Waardoor een stelsel van twee vergelijkingen bekomen wordt, welke verder uitgewerkt kan worden.
3. Werkwijze
3.1. Bereidingen
Stockoplossingen:
100 ml KMnO4 20 mM in H20
Ware concentratie:
Uit de stockoplossing KMnO4 20 mM wordt 100,00 ml KMnO4 0,4 mM bereid. Dit
gebeurt door 2,00 ml stockoplossing aan te lengen met H2O tot 100,00 ml.
500 ml K2Cr2O7 2 mM in H2S04 1M
5
Ware concentratie:
100 ml CuSO4.5H2O 10 mM in NH3 2M
Ware concentratie:
6
3.2. Werkwijze
Absorptiekrommen:
Registreer het spectrum van de 0,4 mM KMnO4 oplosssing tussen 800 nm en 400 nm
Doe dit ook voor de CuSO4 en K2Cr2O7 stockoplossingen Maak in exel een grafiek met de drie spectra, geef hierbij elke spectrum een
bijhorende kleur
Duid op de grafiek voor elke stof de golflengte bij maximale absorptie aan Bestudeer de drie oplossingen met de spectroscoop
Vergelijk de visuele waarnemingen met die van de spectroscoop Enkelvoudige oplossing:
Maak uit de KMnO4 stockoplossing de volgende verdunningen: 2,00 ml, 1,50 ml, 1,00 ml en 0,50ml, aanlengen met H2O tot 100 ml
Bereken de molariteit (mM) van deze verdunningen:
Weeg voor de onbekende ± 150 mg KMnO4 af, los op in H2O en leng aan tot 100 ml (149,2 g afgewogen)
Leng 2,00 ml van deze oplossing aan met H2O tot 100 ml Meet bij de golflengte waar KMnO4 maximaal absorbeert de ijklijn Bepaal de concentratie van de onbekende oplossing
Doe dit ook bij de golflengte waar K2Cr2O7 maximaal absopbeert Teken een grafiek waarin voor beide golflengten de absorbantie i.f.v. de
concentratie wordt uitgezet Geef hierbij de vergelijkingen van de ijklijn weer Bepaal m.b.v. gegevensanalyse welke rechte het meest geschikt is voor de
analyse (α = 0,05) Bereken T95% voor de concentratie van de onbekende oplossing bij de beste
ijklijn Binaire oplossing:
Voer dezelfde metingen uit als voor de bepaling van de absorptiecoëfiënten van KMnO4 bij twee golflengten maar dan nu voor K2Cr2O7 bij de twee zelfde
golflengten Maak uit de K2Cr2O7 stockoplossing de volgende verdunningen: 25,00 ml,
50,00 ml en 75,00 ml, aanlengen met H2SO4 1 M tot 100 ml
De stock oplossing wordt ook als ijkoplossing gebruikt Bereken de molariteit (mM) van deze verdunningen:
7
De onbekende massa’s K2Cr2O7 en KMnO4 worden opgelost in H2SO4 1 M en aangelengd tot 500 ml
Leng 20,00 ml van deze oplossing aan met H2SO4 1 M tot 100 ml Meet de absorbanties van deze oplossing bij de twee golflengten Bereken de massa’s die je hebt gekregen
Afval:
De stockoplossing van KMnO4 wordt gerecupereerd bij de proef van colorimetrie
Andere KMnO4- en K2Cr2O7.5H2O-oplossingen in het zuurvat overbrengen
De CuSO4-oplossing wordt in het vat van de basen gegoten
4. Meetresultaten en analyse
4.1 Opstellen van absorptiekrommen van gekleurde oplossingen
Met behulp van een fotospectrometer wordt het zichtbaar spectrum van KMnO4 0,4 mM; K2Cr2O7 2 mM en CuSO4∙5H2O 2 M geregistreerd. Het zichtbaar
spectrum bevindt zich tussen 400 nm en 800 nm. Het resultaat wordt weergegeven in onderstaande grafiek (figuur 3).
Figuur 3: geregistreerd spectra van KMnO4 0,4 mM; K2Cr2O7 2 mM en CuSO4∙5H2O 2 M waarbij de hoogste piek voor elke oplossing aangeduid is
-0,200
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
400,00 500,00 600,00 700,00 800,00
A
λ (nm)
Kaliumpermanganaat
Kaliumdichromaat
Kopersulfaat
8
Tabel 1: piekwaarden voor de absorbantie met bijhorende golflengten
verbinding Apiek λ (nm)
KMnO4 0,977 527
K2Cr2O7 0,758 444
CuSO4∙5H2O 0,598 620
De golflengte waarbij de piekwaarde voor de absorbantie waargenomen wordt, stemt overeen met een bepaalde kleur. Deze kleur wordt geabsorbeerd door de oplossing waardoor de oplossing de complementaire kleur hiervan vertoont.
Figuur 4: het spectrum van zichtbaar licht met bijhorende golflengten
Figuur 5: de kleurencirkel met van binnen naar buiten de primaire, secundaire en tertiaire kleuren,waarbij complementaire kleuren tegenover elkaar staan
De kleur van de oplossingen kan dan verklaard worden aan de hand van de golflengte waarbij maximale absorptie plaatsvindt.
De KMnO4-oplossing vertoont maximale absorptie bij een golflengte van 527 nm. Er wordt ook een piek waargenomen bij een golflengte van 550 nm. De
overeenstemmende kleur van deze golflengten is lichtgroen (figuur 4). Dit betekent dat deze kleur geabsorbeerd wordt door de oplossing. De complementaire kleur van lichtgroen is violet (figuur 5), wat bijgevolg de kleur
van de oplossing is.
De K2Cr2O7-oplossing vertoont een absorptiepiek bij een golflengte van 444 nm. Er wordt ook een hoge absorptiewaarde waargenomen bij een golflengte van 400 nm. De overeenstemmende kleur van deze golflengten is blauw/paars (figuur 4).
De complementaire kleur van blauw/paars is geel/oranje (figuur 5), wat bijgevolg de kleur van de oplossing is.
De CuSO4∙5H2O-oplossing vertoont een absorptiepiek bij een golflengte van 620 nm. De overeenstemmende kleur van deze golflengte is oranje (figuur 4). De
complementaire kleur van oranje is blauw (figuur 5), wat bijgevolg de kleur van de oplossing is.
9
De gemeten golflengten waarbij hoge absorbantie plaatsvindt, bevestigen de
visuele waarnemingen met de spectroscoop. Met de spectroscoop werden voor de KMnO4-oplossing namelijk verschillende donkere streepjes waargenomen in
het groene gebied tussen 500 nm en 600 nm. Dit stemt overeen met de gemeten hoge piekwaarden voor de absorbantie in dit gebied. Voor de K2Cr2O7-oplossing werd een donker paars/blauw gebied waargenomen tussen 400 nm en 450 nm.
Dit wordt verklaard door de gemeten absorbantie die redelijk hoog is in dit gebied. Analoog kan het donkere oranje/rode gebied dat waargenomen werd bij
de CuSO4∙5H2O-oplossing verklaard worden door de gemeten absorbantie, die redelijk hoog is in dit gebied.
4.2 Analyse van een enkelvoudige oplossing
149,2 mg KMnO4 wordt aangelengd tot 100,00 ml met H2O.
2,00 ml van deze oplossing word verdund tot 100,00 ml
De concentratie van deze oplossing bedraagt 0,189 mM. Deze oplossing wordt
vanaf nu als de te analyseren “onbekende” oplossing beschouwd. De absorbanties van de onbekende; H2O (=blanco) en de uit de stockoplossing
bereidde KMnO4 0,1 mM; KMnO4 0,2 mM; KMnO4 0,3 mM en KMnO4 0,4 mM worden opgemeten bij zowel de golflengte waarbij KMnO4 maximaal absorbeert
als bij de golflengte waarbij K2Cr2O7 maximaal absorbeert. Tabel 2: gemeten waarden voor de absorbantie van de ijkoplossingen en de onbekende oplossing bij de golflengte waarbij KMnO4 maximaal absorbeert (527 nm) en bij de golflengte waarbij K2Cr2O7 maximaal absorbeert (444 nm)
λ (nm)
527 444
CKMnO4 (mmol/l) A
0,0 0,001 0,001
0,1 0,207 0,020
0,2 0,480 0,037
0,3 0,738 0,054
0,4 0,977 0,051
onbekende 0,455 0,028
Met deze meetresultaten kan een ijklijn opgesteld worden voor zowel de golflengte waarbij KMnO4 maximaal absorbeert als voor de golflengte waarbij
K2Cr2O7 maximaal absorbeert.
10
Figuur 6: ijklijnen waarbij de gemeten absorbantie bij de respectievelijke golflengte in functie van de concentratie KMnO4 van de ijkoplossingen wordt geplaatst + interpolatie onbekende
De ijklijn bij 527 nm wordt gebruikt om de interpolatie uit te voeren aangezien deze hier statistisch gezien het meest geschikt voor is.
Het kwadraat van de correlatiecoëfficiënt, de bijhorende F-waarde en het significantieniveau zijn namelijk gunstiger voor interpolatie bij deze ijklijn.
Tabel 3: statistische gegevens voor de opgestelde ijlijnen
λ (nm) R-kwadraat F Significantie F
527 0,998 1827 2,82E-05
444 0,910 30,33 0,0118
De wet van Beer stelt dat deze ijklijn door de oorsprong moet gaan. Dit is voor beide opgestelde ijklijnen min of meer het geval. De minst geschikte ijklijn snijdt
de y-as dichter bij het nulpunt omdat deze een veel kleinere helling heeft dan de meest geschikte ijklijn.
De gemeten absorbantie voor de onbekende bij 527 nm bedraagt 0,455. Interpolatie op de ijklijn geeft dan:
Deze waarde komt overeen met de concentratie aan KMnO4 in mmol/l in de onbekende oplossing.
Met behulp van onderstaande statistische formules en gegevens wordt het 95 %-
betrouwbaarheidsinterval op de bekomen concentratie berekend.
y = 2,483x - 0,0160 R² = 0,9984
y = 0,134x + 0,0058 R² = 0,91
-0,200
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500
A
CKMnO4 (mmol/l)
527 nm
444 nm
11
Tabel 4: statistische gegevens
sy: 0,01837
a1: 2,483
n: 5
m: 1
ygem: 0,481
sxx: 0,1
t95%: 3,182
sx0: 0,00811
1/2 BI: 0,03
De berekende concentratie KMnO4 in de onbekende oplossing bedraagt dan (0,19
± 0,03) mM. De concentratie die berekend werd uit de afgewogen massa ligt binnen dit betrouwbaarheidsinterval.
4.3 Analyse van een binaire oplossing
Het onbekende staal met KMnO4 en K2Cr2O7 wordt opgelost en aangelengd tot 500,00 ml met H2SO4 1M.
De absorbanties van deze onbekende oplossing; H2SO4 1M (=blanco), de stockoplossing K2Cr2O7 1,996 mM en de uit de stockoplossing bereidde K2Cr2O7
1,497 mM; K2Cr2O7 0,998 mM en K2Cr2O7 0,499mM worden opgemeten bij zowel
de golflengte waarbij KMnO4 maximaal absorbeert als bij de golflengte waarbij K2Cr2O7 maximaal absorbeert.
Tabel 5: gemeten waarden voor de absorbantie van de ijkoplossingen en de onbekende oplossing bij de golflengte waarbij KMnO4 maximaal absorbeert (527 nm) en bij de golflengte waarbij K2Cr2O7 maximaal absorbeert (444 nm)
λ (nm)
527 444
CK2Cr2O7 (mmol/l) A
0,000 -0,017 -0,019
0,499 0,018 0,189
0,998 0,032 0,377
1,497 0,052 0,57
1,996 0,067 0,773
onbekende 0,475 0,366
Met deze meetresultaten kan nu een ijklijn opgesteld worden voor zowel de golflengte waarbij KMnO4 maximaal absorbeert als voor de golflengte waarbij K2Cr2O7 maximaal absorbeert.
12
Figuur 7: ijklijnen waarbij de gemeten absorbantie bij de respectievelijke golflengte in functie van de concentratie K2Cr2O7 van de ijkoplossingen wordt geplaatst
Om de concentratie aan KMnO4 en de concentratie aan K2Cr2O7 in het onbekende mengsel te berekenen, wordt gebruik gemaakt van onderstaande formules:
De eerste formule is de wet van Lambert-Beer. Deze wet zegt dat de absorbantie
(A) afhankelijk is van de concentratie (c) en van de optische weglengte doorheen
de oplossing (d). ε is de molaire absorptiecoëfficiënt, deze waarde is verschillend
voor elke verbinding bij elke golflengte.
De tweede formule geeft aan dat de absorbantie van een mengsel bij een
bepaalde golflengte, gelijk is aan de som van de absorbanties van elke
component afzonderlijk bij deze golflengte.
Indien beide formules gecombineerd worden, wordt onderstaande formule
bekomen:
Aangezien er bij twee golflengtes telkens twee ijklijnen opgesteld werden kunnen
de onbekende concentraties berekend worden indien de vier waarden voor ε
gekend zijn. Uit de wet van Lambert-Beer blijkt echter dat de rico van zo’n ijklijn
gelijk is aan aangezien deze waarden constant zijn. De waarde voor ε wordt
dus bekomen door de rico van de ijklijn te delen door de optische weglengte
doorheen de oplossing. De formule kan dus herschreven worden als:
y = 0,0405x - 0,01 R² = 0,9694
y = 0,3938x - 0,015 R² = 0,9997
-0,100
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,900
0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500
A
CK2Cr2O7 (mmol/l)
527 nm
444 nm
13
Nu kunnen er twee vergelijkingen met twee onbekenden opgesteld worden met
de gegevens die ter beschikking zijn.
Tabel 6: gegevens voor de bepaling van de onbekende concentraties
λ (nm) 527 444
Atot 0,475 0,366
ricoKMnO4 2,483 0,134
ricoK2Cr2O7 0,0405 0,3938
(2) invullen in (1) geeft:
De onbekende concentratie KMnO4 bedraagt dan:
De verkregen massa’s van elke verbinding bedraagt dan:
14
5. Besluit
Aan de hand van de absorptiespectra werd de kleur van een kopersulfaat-, een
kaliumpermanganaat- en een kaliumdichromaatoplossing verklaard. Deze absorptiespectra werden visueel waargenomen met de spectroscoop alsook
gemeten met de spectrofotometer. De maximale absorbantiewaarden bedragen: 0,977 bij een golflengte van 527 nm voor KMnO4; 0,758 bij een golflengte van 444 nm voor K2Cr2O7 en 0,598 bij een golflengte van 620 nm voor CuSO4∙5H2O.
Met behulp van ijkoplossingen en de waarden voor de golflengten bij de
absorptiepieken, werden zowel voor KMnO4 dan voor K2Cr2O7 twee ijklijnen opgesteld. Met de statistisch meest geschikte ijklijn voor KMnO4 werd door middel van interpolatie de concentratie van een KMnO4-oplossing bepaald. Deze
ijklijn bevatte de meetresultaten die bekomen waren bij de golflengte waarbij KMnO4 een maximale absorbantie vertoont. De concentratie van de oplossing
was gekend uit de afgewogen massa KMnO4. Deze had een waarde van 0,189 mM en bevond zich binnen het betrouwbaarheidsinterval van (1,90 ± 0,03) mM dat bekomen werd via interpolatie.
Door twee vergelijkingen met twee onbekenden op te stellen met behulp van de
rico’s van de ijklijnen en de wet van Lambert-Beer, werd de concentratie aan KMnO4 en de concentratie aan K2Cr2O7 in een onbekende oplossing, bepaald. Uit deze concentraties werden dan de massa’s KMnO4 en K2Cr2O7 in het verkregen
staal berekend. Deze bedroegen respectievelijk 69,5 mg en 639,1 mg.
15
Chemische reagentia en veiligheid
Tabel 7: H-en P-zinnen en pictogrammen van de gebruikte stoffen [4][5]
Naam Pictogram H- en P-zinnen
Kalium-
permanganaat KMnO4
oxiderend
schadelijk
Milieugevaarlijk
H410 Zeer giftig voor in het water levende
organismen, met langdurige gevolgen. H302 Schadelijk bij inslikken.
H272 Kan brand bevorderen; oxiderend. P210 Verwijderd houden van warmte/vonken/open vuur/hete
oppervlakken. - Niet roken. P273 Voorkom lozing in het milieu.
P301+P312 NA INSLIKKEN: bij onwel voelen een ANTIGIFCENTRUM of
een arts raadplegen.
Kalium-dichromaat Na2CO3
Milieugevaarlijk
Schadelijk voor de gezondheid
op lange termijn
oxiderend
H317 Kan een allergische huidreactie veroorzaken. H330 Dodelijk bij inademing.
H314 Veroorzaakt ernstige brandwonden. H334 Kan bij inademing allergie- of
astmasymptomen of ademhalingsmoeilijkheden veroorzaken. H410 Zeer giftig voor in het water levende
organismen, met langdurige gevolgen. H340 Kan genetische schade veroorzaken.
H350 Kan kanker veroorzaken. H312 Schadelijk bij contact met de huid. H372 Veroorzaakt schade aan organen bij
langdurige of herhaalde blootstelling. H360 Kan de vruchtbaarheid of het
ongeboren kind schaden. H301 Giftig bij inslikken. H272 Kan brand bevorderen; oxiderend.
P301+P310 NA INSLIKKEN: onmiddellijk een ANTIGIFCENTRUM of een
arts raadplegen. P280 Beschermende
handschoenen/beschermende kleding/oogbescherming/gelaatsbescherming dragen.
P302+P350 BIJ CONTACT MET DE HUID:
16
corrosief
Toxisch
voorzichtig wassen met veel water en zeep. P305+P351+P338 BIJ CONTACT MET DE
OGEN: voorzichtig afspoelen met water gedurende een aantal minuten;
contactlenzen verwijderen, indien mogelijk; blijven spoelen. P304+P341 NA INADEMING: bij
ademhalingsmoeilijkheden het slachtoffer in de frisse lucht brengen en laten rusten in
een houding die het ademen vergemakkelijkt. P221 Vermenging met brandbare stoffen
absoluut vermijden. P273 Voorkom lozing in het milieu.
Kopersulfaat CuSO4
schadelijk
Milieugevaarlijk
H410 Zeer giftig voor in het water levende organismen, met langdurige gevolgen.
H319 Veroorzaakt ernstige oogirritatie. H302 Schadelijk bij inslikken. H315 Veroorzaakt huidirritatie.
P280 Beschermende handschoenen/beschermende
kleding/oogbescherming/gelaatsbescherming dragen. P302+P352 BIJ CONTACT MET DE HUID:
met veel water en zeep wassen. P273 Voorkom lozing in het milieu.
P301+P312 NA INSLIKKEN: bij onwel voelen een
ANTIGIFCENTRUM of een arts raadplegen. P305+P351+P338 BIJ CONTACT MET DE
OGEN: voorzichtig afspoelen met water gedurende een aantal minuten;
contactlenzen verwijderen, indien mogelijk; blijven spoelen.
17
Referenties
[1] S. Arickx. Instrumentele Analytische Chemie. KHLeuven, departement
G&T. 2010.
[2] http://www.yorku.ca/eye/spectru.htm (geraadpleegd op Maart 23, 2012).
[3] http://www.bioplek.org/techniekkaartenbovenbouw/techniek102spectrofot o.html (geraadpleegd op Maart 23, 2012).
[4] http://www.gevaarsetiketten.com/vmchk/ghs- etiketten.html?gclid=CP3v6aeXpa4CFQ8gfAodvmJUPg (geraadpleegd op
Maart 22, 2012). [5] http://www.chem.kuleuven.be/safety/Veiligheid/henp.pdf (geraadpleegd
op Maart 22, 2012).
