Абсорбционная фотометрия как метод определения микросодержаний меди(II) новым оксиазореагентом

Введение. В настоящее время существующие методы контроля связаны с использованием боль­шого числа операций для выделения, концентрирования и дальнейшего определения индивидуальных биометаллов (Cu²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, TI³⁺ Hg²⁺, Zn²⁺). Основным недостатком этих методов является длительность, неудобство в выполнении подобного рода анализов. В связи с этим разработана новая фотометрическая методика определения микроколичеств меди(II) с улучшенным воспроизводимостью, чувствительностью, контрастностью и правильностью [6, с.112].

Как известно, попадая в организм медь-играет важную роль в биохимических процессах живых организмов (например, перенос кислорода в тканях, усвоения железа), однако ее избыток отрицательно воздействует на человека, вызывая развитие анемии, неврологические расстройства, поражая печень. Поэтому контроль содержания меди в объектах окружающей среды и основных источниках ее поступления в человеческий организм – продуктах питания и питьевой воде – является важной задачей [5, с. 454].

Известно, что азосоединения играют важную роль в аналитической химии из-за их способности образовывать устойчивые комплексные соединения со многими ионами металлов. Пиридиновые азосоединения известны как органические лиганды и поэтому их комплексообразующие свойства и аналитические возможности являются предметом всесторонних исследований [8, с. 29].

Цель исследования. Подбор и оптимизация условий фотометрического методов контроля содержания Cu(II) в объектах окружающей среды и разработка на их основе новых оптических методов с улучшенными метрологическими характеристиками: правильностью, воспроизводимостью, селектив­ностью, чувствительностью, нижней границей определяемых содержаний ионов Cu в биологических объектах, природных водах, рудах, стандартных образцах промышленных сплавов и других объектах.

Методы исследований: фотометрический, спектро­фотометрический, ИК и ПМР-спектроскопический.

Предварительные опыты показали, что синте­зированное по методике [2, с. 65-67, с. 213] азосоединение – мононатриевая соль 5-метил-(пиридил-2-азо)-1,8-аминонафтол-2,4-дисульфокислоты (5МПААНS,S-2,4) является прекрасным комплексообразователем и избирательным реагентом на ионы меди. Для контроля чистоты реагента использовали метод фотометрии. Состав и строение полученного соеди­нения устанавливали ИК и ПМР спектроскопически. Полученный реагент хорошо растворим в воде, спирте и представляет собой порошок красно – фиолетового цвета. Реагент (HR) имеет следующее строение:

Он как и следовало ожидать в определенных условиях образует с ионами Cu(II) ярко окрашенное растворимое в воде комплексное соединение, для которого весьма характерно образование прочных, слабо диссоцированных связей. В данном реагенте металл-ион взаимодействует с оксигруппой нафталинового ядра азотами пиридинового кольца и диазогруппы, в результате чего смещается электронная плотность цепи сопряженных связей, в которую входит и хромофор (-N=N-). При этом окраска реагента изменяется и наблюдается батохромный сдвиг в спектре поглощения (Рис.2).

При комплексообразовании Cu(II) с 5МПААНS,S-2,4 избирательность объясняется наличием в его молекуле -SO₃H групп, которые повышают кислотные свойства гидроксила, благодаря чему –ОН реагирует при низких значениях рН (4,0), что является важным фактором избирательного действия реагента. Кроме того, способность алкильных заместителей (метильных групп) в хромофорных системах усиливать светопоглощение согласуется с их о- и п-ориентацией при замещении в пиридиновом кольце. Очевидно, благоприятное сочетание этих факторов и объясняет высокую избирательность синтезиро­ванного реагента с –ОН группой в отношении Cu(II).

Экспериментальная часть

Растворы, реагенты и использованные приборы. Стандартный раствор меди(II): точную навеску 1,000 гр электролитической меди растворяли в минимальном количестве (8 – 10 мл) концен­трированной азотной кислоты, при слабом кипячении удаляли окислы азота. После охлаждения раствор переносили в мерную колбу на 1000 мл, доводили дистиллированной водой до метки и перемешивали. Для приготовления 0,05%-ного раствора 5МПААНS,S-2,4 растворяли 0,1000 гр его точной навески в мерной колбе емкостью 200,0 мл, доливали до метки дистиллированной водой и перемешивали [3, с. 8]. Универсальный буферный раствор готовили перемешиванием H₃BO₃, CH₃COOH и H₃PO₄ по 0,04М каждого и добавлением 0,2М NaOH для получения соответствующего значения рН [4, с. 238].

Оптическую плотность (ОП) растворов измеряли на концентрационном фотоколориметре КФК-2 и спектрофотометре СФ-46 в кювете с толщиной поглощающего слоя l = 3,0 и 1,0 см. Величину рH растворов контролировали рН-метром – рН/mV/-TEMP METER P25 (Юж. Корея).

Влияние рН. Полученные результаты при варьировании рН раствора представлены на рис.1, из которого видно, что рН играет ключевую роль при комплексообразовании. Найдено, что светопог­лощение достигает максимума и становится постоянным в интервале рН 3,5-4,8 для комплекса Cu(II). В данной работе для комплекса Cu(II) значение рН 4,0 селективно как рабочая кислотность для его чувствительного определения в воде и других объектах окружающей среды [1, с. 25-29].

Спектры поглощения реагента(HR) и его комплекса с Cu(II). Сняты спектры светопог­лощения реагента 5МПААНS,S-2,4 и его комплекса с Cu(II). Результаты представлены на рис. 2. Из кривых рис.2 можно выбрать одну рабочую длину волны 595 нм для комплекса меди(II) (l_HR=505 нм) при рН 4,0, которая показала высокую чувствительность и контрастность (Dl=90нм).

Влияние времени и температуры. При изучении влияния времени при рН 4,0 на устойчивость комплекса Cu(II) с 5МПААНS,S-2,4 показано, что при комнатной температуре ОП комплекса не меняется в течении 1440 минут (24 ч.), что свидетельствует об его устойчивости.

Влияние концентрации реагента. Для нахож­дения минимально-необходимого количества 5МПААНS,S-2,4 к определенному количеству раствора Cu(II) прибавляли 5,0 мл универсального буферного раствора со значением рН=4,0, содержащего 5,0 мкг меди(II) и возрастающие количества 0,05%-ного раствора 5МПААНS,S-2,4 и раствор доводили дистиллированной водой до 25 мл. Растворы перемешивали и измеряли их ОП на КФК-2 со светофильтром № 7 при =3,0 см относительно раствора холостого опыта. Полученные результаты показали, что полное постоянство ОП наступает при 0,8-0,9 мл 0,05 % ного раствора 5МПААНS,S-2,4. Это количества реагента считается достаточной для связывания в комплекс добавленные количества ионов металла.

Определение состава комплексаСu-5МПААНS,S-2,4. Стехиометрия комплекса меди с реагентом была изучена методами спектрофото­метрического титрования [1, с. 247; 7, с. 31], прямой линии Асмуса [1, с. 251; 7, с. 31] и сдвига равновесия[1, с. 244-245]. Излом на кривой в обоих случаях наблюдается при соотношении Сu:HR=1:2, что свидетельствует об образовании комплекса состава СuR₂.

Определение истинного коэффициента молярного светопоглощения и константы равновесия при оптимальной кислотности среды. При определении истинного коэффициента молярного светопоглощения и константы равновесия комплекса Cu(II) – 5МПААНS,S-2,4 по методу Толмачева [1, c. 286] в мерные колбочки емкостью 25,0 мл приливали 5,0 мл универсального буферного раствора со значением рН=4,0; растворы реагента и металла в стехиометрическом соотношении при равных концентрациях (3,5·10^-4 моль/л) и объемы доводили дистиллированной водой до метки. Растворы перемешивали и измеряли ОП на КФК-2 при l=590 нм, l=3,0 cм относительно раствора холостого опыта. По полученным данным строили график зависимости 1/e×10^-n от 1/ . Взяв экстраполяцией точку пересекаемую с осью ординат рассчитывали истинный коэффициент молярного светопоглощения. Из полученных данных рассчитывали e_ист. и К_равн., которые соответственно равны 2,0∙10⁴ и 2,73.

Подчинение закону Бугера-Ламберта-Бера. Изучение подчинения растворов комплекса Cu(II) с 5МПААНS,S-2,4 закону Бугера-Ламберта-Бера проводили в найденных оптимальных условиях. Для этого приготовили растворы в мерных колбах на 25,0 мл: 5,0 мл универсального буферного раствора со значением рН=4,0; переменной концентрацией растворы Cu(II), по 0,9 мл реагента (0,05%) и объем доводили до метки дистиллированной водой. Растворы перемешивали и измеряли их оптическую плотность на КФК-2 со светофильтром №7 при =3,0 см относительно раствора холостого опыта. Полученные экспериментальные данные показали, что в интервале 0,50 - 6,50 мкг в 25,0 мл раствора наблюдается подчинение закону Бугера-Ламберта-Бера, что даёт возможность количественно определять Cu(II) в этом интервале концентрации. Нижняя граница определяемых содержаний (С_н) составляет 0,234мкг/25мл. Рассчитано уравнение градировочного графика методом наименьших квадратов, при этом Уi=a+bxi; a=0,0036 и b=0,045; по полученным расчетным данным построен градуировочный график зависимости У_расч (Yi) от С_Сu, мкг (Xi) (рис. 3) [1, c. 312-319].

Рисунок 3. Градуировочного график определения меди(II) реагентом 5МПААНS,S-2,4

Определение меди 5МПААНS,S-2,4в присутствии посторонних ионов. С целью выяснения возможности использования реагента в анализе и избирательности метода проводили определения ионов меди(II) в присутствии посторонних ионов. Определение проводили по выше указанной методике в оптимальных условиях с той лишь разницей, что в раствор вводили различные количества посторонних ионов, изучение влияния которых представляло интерес. Определению 6,0 мкг Cu(II) не мешают ионы щелочных металлов, CIO₄^-, S^2-, F^-, Br^-, (1:1000); Mg²⁺, PO₄^3-, CH₃COO^- (1:500); AI³⁺, Ba²⁺, NH₄⁺, Ca²⁺, Mn²⁺, CI^-, SO₄^2-, NO₃^- (1:100); Cr₂O₇^2-, SiO₃^2-, (1:60); S₂O₃^2-, NO₂^-(1:50); Pb²⁺, Zr⁴⁺, Ni²⁺, TI³⁺, J^-, тиомочевина (1:7,5); Sn²⁺ (1:4); C₂O₄^2- (1:2); Ti⁴⁺ (1:1); Zn²⁺ (1:0,8). Мешают ионы Bi³⁺, Co²⁺, Fe²⁺ (1:1); Cd²⁺, H₂C₆H₅O₇­^- (1:0,5). Изучено влияние посторонних ионов и маскирующих веществ [1, c. 143-148] на комплексообразование Cu(II) с реагентом 5МПААНS,S-2,4. При сравнении избирательности известных из литературы [2, с. 66-67] реагентов для определения меди(II) видно, что синтезированный реагент является более избирательным.

Данные по избирательности позволяют приме­нить разработанную методику для фотометрического определения меди(II) в сложных объектах.

Определение меди (II) в промышленном образце. Разработанный чувствительный и избира­тельный фотометрический метод определения меди(II) реагентом 5МПААНS,S-2,4 применен к анализу стандартных образцов промышленных сплавов. Были подобраны образцы: АК12МК 203-1, АК12МК 203-5, М123-1 и М99-5, имеющие полиметаллический и элементный составы.

Методика приготовления проб к анализу. Навеску образца сплава 0,1000 г ( 0,050 г. для М123-1 и М99-5) растворяли в термостойком стакане емкостью 50,0 мл, прибавляли минимальный объём (8,0-10,0 мл) царской водки (HNO₃+3HCI), нагревали при слобом кипячении на электроплитке до растворения и удаляли окислы азота. После охлаждения раствор количественно переносили в мерную колбу емкостью 1000 мл (2000 мл для М123-1 и М99-5) и разбавляли дистиллированной водой до метки, перемешивали и далее поступали как указано в методике. Из аликвотной части этого раствора определяли ионы меди (II).

Методика определения: в мерную колбу емкостью 25,0 мл помещали определенное количество раствора образца; 5,0 мл универсального буферного раствора с рН 4,0; добавляли 0,9 мл 1,086·10^{-3 М раствора 5-МПААНS,S-2,4; маски­рующие агенты (}F^- 1:300, СH₃COO^- 1:500), в рассчитанных концентрациях для маскирования алюминия, свинца, железа [1, c. 143-148] и объем доводили до метки дистиллированной водой. Измеряли ОП на КФК-2 со С.ф. № 7 при l=3,0 см относительно раствора холостого опыта. Полученные данные и их математическая обработка приведены в табл. 2, из которых видно, что разработанная фотометрическая методика определения меди (II) азореагентом 5МПААНS,S–2,4 являются правильной, чувствительной, избирательной, воспроизводимой и селективной с относительным стандартным отклонением (S_r), не превышающим 0,0428.

Таблица 2.

Математическая обработка полученных результатов фотометрического определения меди(II) в стандартных образцах промышленных алюминиевых и медных сплавов

Определение меди (II) в составе природных водметодом добавок. При фотометрическом и спектрофотометрическом определениях концентраций исследуемого металла в пробе применяли известный в литературе и широко применяемый в практике химического анализа “Метод добавок”. Этот метод позволяет создать одинаковые условия для фотометрирования исследуемого и стандартного (с добавкой) окрашенного растворов, поэтому его целесообразно применять для определения малых количеств различных элементов в присутствии больших количеств посторонних веществ при анализах солевых растворов. Метод добавок [1, с. 360-361] требует обязательного соблюдения основного закона светопоглощения.

На основании проведённых исследований по оптимизации условий прямого фотометрического определения меди(II) в реальных объектах и получению оптимальной оценки селективности их определения в индивидуальных и сложных смесях была разработана экспресс-фотометрическая методика анализа природных вод на определение содержания исследуемых металлов. Выбранные для исследования пробы вод, взятые из родника Омонхона (Сурхандарьинская област, поселок Омонхона), представляли собой сложную по составу систему, содержащую помимо минеральных макрокомпонентов, также и различные катионы тяжелых и токсичных металлов. Отбор проб для определения меди(II) производили по методике в стеклопосуде различных марок.

Методика определения меди в природных водах. Взятую из родника Омонхона пробу 1,0 л помещали в термостойкий стакан емкостью 1000,0 прибавляли 10-12 мл 1,0 н раствора HNO₃, нагревали на песочной бане, упаривали до образование влажных солей. Осадок растворяли в 10,0 мл дистиллированной воды, количественно фильтровали в стакане емкостью 50,0 мл. Раствор количественно переносили в колбу обеъмом 25,0 мл; добавляли различные количества (0,5-2,0 мкг) стандартных растворов меди(II); 5,0 мл универсального буферного раствора с рН 4,0; 0,9 мл 1,086·10^{-3 М раствора 5МПААНS,S-2,4; объем доводили до метки дистиллированной водой и перемешивали.}

С целью улучшения избирательности метода прибавлены следующие маскирующие агенты: 8,0 мл F^- и 2,0 мл ОН^- (10мкг/мл) в рассчитанных концентрациях для связывания ионов алюминия, марганца, цинка и мышьяка. Измеряли ОП на КФК-2 со С.ф. № 7 при l=3,0 см относительно раствора холостого опыта. Полученные экспериментальные результаты, определения Cu(II) в составе проб из родника Омонхона и их математическая обработка приведены в табл. 3-4.

Таблица 3.

Состав воды, взятой из родника Омонхона, согласно паспортным данным

Таблица 4.

Результаты определения микроконцентрации Cu(II) 5МПААНS,S-2,4 в родниковой воде Омонхона методом добавок (V_вода=1,0 л, рН=4,0, l_max=590 нм, l=3,0см, n=5, P=0,95)

Результаты анализа стандартных образцов промышленных алюминиевых и медных сплавов (Sr=0,0428), природных вод (Sr=0,0159) показывают, что разработанная фотометрическая методика определения Cu(II) 5МПААНSS-2,4 в найденных оптимальных условиях характеризуется высокой точностью, избирательностью, низкими границами определяемых концентраций и относительным стандартным отклонением, не превышающим во всех случаях 0,043, что согласуется с литературными данными. Показано, что во всех случаях погрешность определения не выходит за пределы доверительного интервала, что свидетельствует о правильности и воспроизводимости разработанной спектрофото-метрической методики определения меди (II) органическим реагентом.

Выводы

1. Оптимизированы условия комплексо­образования меди(II) с 5МПААНSS-2,4 такие как: образование комплекса во времени, выбор светофильтра, рН среды, состав буферных смесей, избыток реагента, порядок сливания компонентов, условия подчинения закону Бугера-Ламберта-Бера (1,0-6,50 мкг/25мл).
2. Изучены спектральные характеристики комплекса и реагента 5МПААНS,S-2,4, которые показали высокую чувствительность и контрастность реакции комплексобразования ( =90нм), определены истинный молярный коэффициент светопоглощения () и константа равновесия комплекса (К_равн.=2,73). По методу наименьших квадратов рассчитано уравнение градуировочного графика (Yi=0,0036+0,045Хi) и чувствительность по Сенделью (0,0025 мкг/см²). На основе достигнутых результатов и выявленных закономерностей разработана фотометрическая методика определения меди(II) реагентом 5МПААНS,S-2,4.
3. Установлено мольное соотношение меди(II) и реагента методами: сдвига равновесия, прямой линии Асмуса и спектрофотометрического титрования (Cu : R равен 1:2).
4. Изучена избирательность разработанной методики и проверена ее правильность способом “введено-найдено” и уравнением градуировочного графика. Разработанная методика применена к анализу искусственных смесей [7, с. 32], сплавов, природных вод и полученные результаты обработаны методом математической статистики.