Photometrische Ammoniumbestimmung

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1 Analytisches Grundpraktikum Teil II Photometrische Ammoniumbestimmung Aufgabe Ammonium ist einerseits ein wichtiger Pflanzennährstoff, andererseits als Produkt des anaeroben Abbaus von Biomasse in Gewässern fischtoxisch. Daher ist die Quantifizierung des Ammoniumgehaltes in den Umweltbereichen Wasser und Boden bedeutsam. Es soll Ammonium in verschiedenen Proben bestimmt werden. Die Bestimmung ist einerseits durch eine spezifische Farbreaktion des aus Ammonium freigesetzten NH 3 photometrisch möglich. Andererseits kann auch die Diffusion des freigesetzten NH 3 durch eine Membran für die Konzentrationsbestimmung genutzt werden. Bei gassensitiven Elektroden führt das eindiffundierende NH 3 in der Meßzelle zu einer ph Änderung, die mit einer Glaselektrode gemessen wird. In diesem Versuch unter Verwendung der FIA Technik verursacht das durch die Membran diffundierende NH 3 eine Farbänderung eines ph Indikators, die dann photometrisch gemessen wird. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung von Ammoniumgehalten bietet die Ionenchromatografie. Einführung Die Photometrie ist eine wichtige und mit relativ geringem technischem Aufwand verbundene Methode zur Quantifizierung von Elementen und Verbindungen. Auch Ionen oder Verbindungen, die selbst nur eine geringe Absorption aufweisen, können nach Reaktion mit organischen Reagentien (Komplexierung, Kupplungsreaktionen u. a.) oft sehr selektiv, nachweisstark und mit geringem Zeitaufwand bestimmt werden. Im Gegensatz zu den Linienspektren bei der Atomabsorption liefern elektronische Anregungen bei Molekülen bedingt durch die Überlagerung elektronischer Niveaus mit Schwingungs und Rotationsniveaus breite Banden. In der Regel erfolgt die Messung der Absorption in der Photometrie am Maximum der Bande. Diese Schwächung der (monochomatischen) Strahlung von der Ausgangsintensität I 0 auf die Intensität I nach Durchgang durch die Probe wird durch das Bourguer-Lambert- Beer Gesetz beschrieben. Es gilt I A = log 0 I = ε c d A ε c d Spektrales Absorptionsmaß, Absorbance, oft auch Extinktion E genannt (dimensionslose Größe) molarer Absorptions- oder Extinktionskoeffizient; stoffspezifische, wellenlängenabhängige Proportionalitätskonstante (Dimension l /mol. cm; wird häufig auch dimensionslos angegeben) Konzentration in mol/l Schichtdicke in cm Das Bouguer-Lambert-Beersche Gesetz gilt exakt nur für monochromatisches Licht, für verdünnte Lösungen (c < 10-2 mol/l) und nur für Stoffe, die nicht mit dem Lösungsmittel in Wechselwirkung treten. Auf eine Bestimmung von ε wird in der Praxis meist verzichtet, statt dessen wird der Zusammenhang zwischen der Konzentration und der zu messenden Extinktion empirisch mit Hilfe von Kalibrierlösungen und der Erstellung einer Kalibrierkurve ermittelt. Man sollte darauf achten, im linearen Bereich Kalibrierbereich zu arbeiten (Bild 1). Bei der Bestimmung der Ausgangsintensität I 0 ist natürlich zu beachten, dass das Lösungsmittel und die Reagentien, die mit dem Analyten die Farbreaktion hervorrufen, bei der Meßwellenlänge ebenfalls eine Eigenabsorption aufweisen. Das bedeutet, dass die Vergleichslösung für die Messung von I 0 (des Blindwertes) alle Reagentien in gleicher Konzentration wie in der Meßlösung enthalten muß. 1

2 Bild 1: Typische Kalibrierkurve nach dem Bouguer-Lambert-Beersche Gesetz Photometrische Bestimmung des Ammonium über Indophenolblau (nach DIN 38406/5) Dieses Verfahren ist auf Proben mit einem Gehalt an Ammonium von ca. 0,04-2 mg/l anwendbar (bei Verwendung von Küvetten mit 1 cm Schichtdicke). NH 4 + -Ionen reagieren bei einem ph-wert von etwa 12,6 mit Hypochlorit- und Salicylat-Ionen in Gegenwart von Natriumpentacyanonitrosylferrat als Katalysator zu einem blauen Farbstoff, wobei Hypochlorit im alkalischen Medium durch Hydrolyse von Dichloroisocyanursäure entsteht. Chemikalien: Salicylat-Citrat-Lösung (vorhanden): 32,5 g Natriumsalicylat (C 7 H 5 O 3 Na) und 32,5 g Trinatriumcitrat (C 6 H 5 O 7 Na 3 2H 2 O) werden in 200 ml H 2 O gelöst. Dazu gibt man 242 mg Dinatriumpentacyanonitrosylferrat (Na 2 Fe(CN) 5 NO. 2H 2 O). Diese Lösung wird auf 250 ml aufgefüllt. Im Dunkeln aufbewahrt, ist sie mindestens 2 Wochen haltbar! Reagenzlösung (vorhanden): 3,2 g NaOH werden in 50 ml H 2 O gelöst. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur werden 0,2 g Natriumdichloroisocyanurat (C 3 N 3 Cl 2 O 3 Na) zugefügt. Die Lösung wird in einen 100ml-Meßkolben gegeben und bis zur Marke aufgefüllt. Diese Lösung ist täglich frisch anzusetzen. NH 4 + -Stammlösung: 100 mg/l NH 4 Durchführung: Je 20 ml der filtrierten Probe bzw. der Kalibrierstandards (ph = 5-8) werden in einen 25 ml-meßkolben gegeben. Unter Schütteln werden 2 ml Salicylat-Citrat-Lösung und anschließend 2 ml-reagenzlösung zugesetzt. Der ph-wert sollte jetzt 12,6 betragen. Bei vorher neutralen Wässern ist dies der Fall. Die Probe wird mit dest. Wasser bis zur Marke aufgefüllt und 1-3 Stunden bei 25 C gehalten. Frühestens nach 1 Stunde wird die Extinktion bei 655 nm in einer 1 cm Küvette gegen die Blindprobe (20 ml Wasser anstelle der Probe) untersucht. Bei gefärbten Proben wird eine 2. Blindprobe ohne Zugabe von Reagenzlösung untersucht. Kalibrierung: Aus der Stammlösung (100 mg/l NH 4 + ) werden je nach vorgesehenem Meßbereich 6 Kalibrierstandards (jeweils 100 ml) hergestellt: Meßbereich 1: 0,1 mg /l; 0,25 mg /l; 0,5 mg /l; 1 mg /l; 1,5 mg /l; 2 mg /l; Meßbereich 2: 1 mg /l; 2 mg /l; 4 mg /l; 6 mg /l; 8 mg /l; 10 mg /l; 2

3 Analog der Vorschrift wie bei den Proben werden mit diesen Standards die Kalibrierlösungen und die Blindprobe für die Photometrie hergestellt. Für die gemessenen Extinktionen der Kalibrierstandards ist eine Kalibrierkurve zu zeichnen. Für die Probe wird der Konzentrationswert aus der Kalibrierkurve entnommen. Chemismus der Farbreaktion 1. Aus Natriumdichloroisocyanurat (R-Cl) bildet sich in NaOH Natriumhypochlorit (NaOCl) R-Cl + NaOH NaOCl + RH Natiumdichloroisocyanurat 2. Das NH 4 + /NH 3 Gleichgewicht ist durch das alkalische Milieu zum NH 3 verschoben, dieses bildet mit NaOCl das Chloramin NH 2 Cl NH 3 + NaOCl NaOH + NH 2 Cl 3. Natriumsalicylat reagiert mit Chloramin im Citratpuffer zum N-Chlorchinonimin (Nitroprussidnatrium als Katalysator) Na 2 [Fe (CN) 5 NO] + NH 2 Cl + HCl (R 1 = COONa) 4. Das N-Chlorchinonimin bildet mit weiterem Salicylat den Indophenolblau Farbstoff + - HCl Bestimmung von Ammonium mit einem FIA System ( nach DIN-EN-ISO 11732) (Fließinjektionsanalyse mit Gasdiffusion und photometrischer Detektion 1 ) Grundlage des FIA Verfahrens Die ammoniumhaltige Probe wird ein einen kontinuierlich fließenden Trägerstrom injiziert und mit einer ebenfalls kontinuierlich fließenden alkalischen Lösung vermischt. Das sich dabei bildende Ammoniak wird in einer Gasdiffusionszelle über eine hydrophobe Membran abgetrennt und von einem fließenden Akzeptorstrom, der einen gelösten ph-indikator in der protonierten ( sauren ) Form und deprotonierten ( basischen ) Form enthält, aufgenommen. Aufgrund der Absorption von Ammoniak in der Indikatorlösung kommt es zu einer Erhöhung des ph-wertes und damit zu einer Erhöhung des Anteils der basischen Form der Indikatorlösung. Die Farbänderung des Indikators wird spektral-photometrisch im Durchfluss gemessen. Der Arbeitsbereich der Methode kann durch Wahl der experimentellen Bedingungen sehr stark variiert werden. Wichtigste Parameter sind die Geometrie der Diffusionszelle, die Fließraten, das Injektionsvolumen und die Zusammensetzung der Indikatorlösung. 1 Grundlagen und Prinzipien der Fließinjektionsanalyse sind in einem gesonderten Script beschrieben 3

4 Mit dem vorliegenden experimentellen Aufbau sind je nach Konfiguration des Manifolds Gehalte im Bereich von etwa 0,1-500 mg/l Ammonium erfassbar. Aufbau des Fließsystems Das im Praktikum verwendete Fließsystem (Bild 2) ist aus einzelnen Komponenten bedarfsgerecht zusammengebaut. Für die kontinuierliche Förderung der Lösungen dient eine Schlauchpumpe. Die Probe wird mittels Injektionsventil in die Trägerlösung eingebracht. Die Gasdiffusion findet in einer Separationszelle (Bild 3) über eine mikroporöse Teflonmembran oder Polypropylenmembran statt. Für die photometrische Detektion wird ein konventionelles Spektralphotometer mit Durchflußküvette verwendet. Die Messwellenlänge beträgt bei Verwendung von Bromthymolblau als Indikatorlösung 620 nm. P Probe C MC NaOH GD Ind. D Bild 2: Schematischer Aufbau des Fließsystems für die Ammoniumbestimmung P Pumpe; MC Mischschleife; GD Gasdiffusionszelle; D Durchflussdetektor; C Trägerlösung (H 2 O); Ind. (gelöster Farbindikator); Bild 3: Ansicht der Gasdiffusionszelle Reagenzien und Standardlösungen C: Als Trägerlösung wird Wasser verwendet NaOH: Für die Analyse der Wasserproben wird eine 0,1 mol/l NaOH-Lösung verwendet Indikator: Als Farbindikator wird (in Abänderung zur DIN) eine Lösung, die 0,1 g/l Bromthymolbblau enthält, verwendet. Die Lösung wird mit NaOH bzw. HCl auf ph 6,3 bis 6,5 eingestellt Alle Lösungen sind vor Beginn des Versuches zu entgasen! Standardlösungen: Die Arbeitsstandards werden aus einer Stammlösung, die 100 mg/l Ammonium enthält, durch geeignete Verdünnung mit Wasser hergestellt. Verdünnte Ammoniumlösungen müssen täglich frisch angesetzt werden. Es werden die bei Indophenolblau angegebenen Standards verwendet. 4

5 Durchführung 1. Die Indikatorlösung ist auf einen ph Wert von 6,3 bis 6,5 einzustellen. 2. Die Absorptionsspektren des Indikators in der sauren Form, der basischen Form und bei dem für die Messung eingestellten ph Wertes sind am Photometer Spekol 1100 aufzunehmen. 3. Nach Installation des Fließsystems, wird durch alle Kanäle Wasser gepumpt und auf Dichtigkeit geprüft. 4. Das Photometer wird auf Null abgeglichen. 5. Nun wird die Indikatorlösung gepumpt, und die Extinktion nach Einstellen eines konstanten Wertes registriert. Sie sollte im Bereich 0,3-0,5 Extinktionseinheiten liegen. 6. Im nächsten Schritt wird die Natronlauge gepumpt und der Verlauf der Basislinie beobachtet. Bei funktionsfähiger Membran darf die Extinktion um nicht mehr als 0,05 E ansteigen. Ansonsten ist entweder die Membran defekt oder aber die Trägerlösung bzw. die NaOH-Lösung mit Ammonium kontaminiert. 7. Es wird eine erneuter Abgleich der Basislinie vorgenommen. 8. Als Test für Funktionsfähigkeit und Reproduzierbarkeit wird eine Standardlösung mehrfach (ca. 5 mal) injiziert und die Signalhöhe registriert. Die relative Standardabweichung sollte 5% nicht überschreiten. 9. Die Parameter Fließrate, Injektionsvolumen und Länge der Mischstrecke sollen für eine Standardlösung variiert werden und die Kurven sind auf dem Schreiber zu registrieren. Aus den Ergebnissen werden geeignete Versuchsbedingungen festgelegt. Weiterhin soll dieser Standard für 2 3 min als Dauerbetrieb (anstelle von Wasser auf C) injiziert werden. Kalibration und Analyse der Wasserproben Standardlösungen, die den gewünschten Arbeitsbereich abdecken, werden nacheinander je dreimal injiziert und durch Auftragen der Peakhöhe gegen die Konzentration die Kalibrierfunktion erstellt (auf Millimeterpapier aufzeichnen). Anschließend werden die Wasserproben, die bei Bedarf vorher verdünnt wurden, ebenfalls mehrfach injiziert, die Peakhöhen gemessen und anhand der Kalibrierfunktion die Konzentration der Proben ermittelt. Diskussion Der Einfluß der Variation der FIA Parameter ist zu diskutieren. Die Ergebnisse der Untersuchung der Real-Proben mit den beiden Arbeitsweisen sind zu vergleichen. Welche Vorteile, Einschränkungen und Probleme haben beide Arbeitsweisen (konventionell und FIA). Literatur K. Camann, Instrumentelle Analytische Chemie, Spektrum