Цветометрическое определение ионов меди природным красителем индиго

Color metric determination of copper ions by the natural dye indigo
Цитировать:
Цветометрическое определение ионов меди природным красителем индиго // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Эшчанова А.К. [и др.]. 2020. № 7 (73). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/9860 (дата обращения: 28.01.2021).
Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

В статье представлена методика спектрофотометрического определения меди(II) c использованием реагента индиго, полученного из местного растения. Найдены оптимальные условия: влияние природы и концентрации буферных смесей, время, температура, мешающее влияние посторонних ионов. Рассчитана константа устойчивости комплекса и мольные соотношения Re:Me различными методами. Предложенная методика цветометрического определения ионов меди избирательна, оценена метрологически, найдены нижняя граница определяемого содержания меди при относительном стандартном отклонении 0.014. Правильность методики проверена методом «введено-найдено». Предложенный простой, экспрессный и доступный спектрофотометрический метод определения меди применен к анализу природных и технологических вод.

ABSTRACT

The article presents the spectrophotometric determination of copper (II) using an indigo reagent obtained from a local plant. Optimum conditions were found: the influence of the nature and concentration of buffer mixtures, time, temperature, and the interfering effect of foreign ions. The stability constant of the complex and molar ratios of Re: Me were calculated by various methods. The proposed method for the colorimetric determination of copper ions is selective, metrologically evaluated, the lower boundary of the determined copper content is found with a relative standard deviation of 0.014. The correctness of the methodology is checked by the method of "entered-found." The proposed simple, express and affordable spectrophotometric method for determining copper is applied to the analysis of natural and process waters.

 

Ключевые слова: спектрофотометрия, красители, индиго, ионы меди, цветометрическое определение, предел обнаружения, природные и технологические воды.

Keywords: spectrophotometry, dyes, indigo, copper ions, colorimetric determination, detection limit, natural and process water.

 

Развитие промышленного потенциала республики Узбекистан неизбежно влечёт за собой одновременное увеличение загрязненности окружающей среды. Внедрение новых технологий, выбросы предприятий цветной и черной металлургии способствуют загрязнению окружающей среды. На первый план выдвигается контроль качества объектов окружающей среды, разработка высокочувствительных и селективных методов определения тяжёлых и токсичных металлов[1, 2].

Содержание меди нормировано в природных и сточных водах [1] (ПДК меди в воде 1мг/л), а в некоторых биологических объектах (в крови) он является важным диагностическим показателем. Медь в определенных количествах необходим для нормального функционирования человека и животных. Но поступление меди в организм человека в дозах, превышающих допустимые, неблагоприятно сказывается на деятельности центральной нервной системы вплоть до развития болезни Альцгеймера, происходит инактивация некоторых ферментов, замедляется поступление кислорода в клетки крови, появляется головная боль, затрудняется дыхание, учащается сердцебиение, возникает тревожность. Возможно развитие диареи, тошноты, болей в животе и сильного увеличения печени. Насыщение медью сопровождается болевыми ощущениями в мышцах, нарушениями сна, депрессивным состоянием, повышенной раздражительностью. Чтобы не столкнуться с подобными проявлениями, очень важно знать собственную суточную норму потребления меди. Суточная потребность взрослого человека в меди, по данным Всемирной организации здравоохранения, определяется в 2-5мг, или 30мкг/кг массы тела. Максимально допустимое суточное поступление-50 мкг/кг [3-5].

Красителями называются органические соединения, обладающие способностью поглощать и преобразовывать световую энергию (энергию электромагнитных излучений) в видимой и ближних ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, и не утрачивающие этой способности при нанесении на различные поверхности. Поглощая часть световых лучей определенной длины волны в видимой области спектра, эти соединения становятся цветными. Природные красители научились производить и использовать с доисторических времен, о чем свидетельствуют археологические раскопки в разных частях света и на разных континентах и нахождение в них артефактов в виде окрашенного текстиля и фрагментов одежды [6].

Протравные красители, содержащие в определенных (пространственно близких) положениях карбоксильные и гидроксильные хелатные группы, способны образовывать нерастворимые комплексы (лаки) с металлами переменной валентности. В образовании этих комплексов также участвуют хелатные группы природных волокон (целлюлозные, белковые). Природные протравы тоже были найдены среди металлокомплексных веществ и танинов (растительные сложные соединения – полифенолы). Самыми значимыми природными красителями древнего и среднего мира были два индигоидных красителя: пурпур древних и индиго. Для Европы более значимым и первичным был Тирский пурпур, а для Индии и Дальнего Востока – индиго [7].

Индиго – представитель группы природных веществ – алкалоидов; содержится в растениях, произрастающих в Индии. В средние века индиго в Европе получали из растения вайда, а также привозили из Индии (Indigofera). Широкое использование природного красителя индиго продолжалось до середины XIX века, когда индиго был синтезирован впервые. В настоящее время индиго получают и синтетически,  и из растений. Индиго, как и другие кубовые красители, требует в крашении и печати использование восстановителей в сильнощелочной среде для перевода его в водорастворимую форму лейкосоединения, имеющего сродство к целлюлозным волокнам. Необходимая сильнощелочная среда для колорирования индиго и других кубовых красителей не позволяет их использовать для крашения белковых волокон (шерсть, натуральный шелк), разрушающихся (гидролиз) в щелочной среде[8-9].

Природные красители можно классифицировать:

– по цвету (окраска);

– по происхождению (растения, животные, бактерии);

– по химическому строению (только с середины XIX- века);

– по областям использования.

Следует отметить, что классификации природных и синтетических красителей во многом, но не во всем, совпадают [10,11].

Из литературных источников следует, что необходимо проведение исследований по применению индиго в качестве аналитического реагента для высокочувствительного и репрезентативного определения ионов тяжелых металлов в широком диапазоне их концентраций [12].

Цель исследования заключается в разработке нового экспрессного и высокочувствительного спектрофотометрического метода определения  микроколичеств ионов меди(II) с синтезированным реагентом индиго в различных по природе объектах и с улучшенными метрологическими характеристиками (правильность, воспроизводимость, расширение диапазона определяемых содержаний, селективность и др.).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Стандартный раствор соли меди с титром 1 мг/мл  готовили по точной навеске CuSO4*5H2O. Навеску соли меди 0,3929 гр. растворяли в воде и доводили до метки в мерной колбе на 100 мл. Рабочие растворы готовили разбавлением стандартного раствора. Работали с разбавленными растворами, имеющими титр 50 и 20 мкг/мл меди.

Серию буферных растворов готовили из 1 М раствора HCI, NaOH, NH4OH, СН3СООNа квалификации х.ч. и ос.ч. Для проведения эксперимента использовали бидистиллированную воду с удельной электропроводностью 0.475 мСм/м.

рН измеряли рН-метром рН/mV/ТЕМР Meter P25 EcoMet (Корея).

Спектры поглощения измеряли на регистрирующем двухлучевом спектрофотометре UV-VisSpecordM-40 (KarlZeis) и спектрофотометре СФ-46 (l=Iсм).

Методика анализа: В мерную колбу на 25 мл вводили аликвоту, содержащую 50 мкг меди (II), 1 мл 0,1% - ного раствора реагента индиго, 10 мл универсального буферного раствора и объем доводили до метки дистиллированной водой, раствор перемешивали и измеряли оптическую плотность комплекса относительно раствора сравнения на КФК-2, =1 см с различными светофильтрами (от 1 до 11). В качестве раствора сравнения использовали раствор холостого опыта.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Были сняты УФ- спектры реагента и его комплекса с ионами меди (рис.1).

 

Рисунок 1. УФ- спектр реагента Индиго

 

Рисунок 2. ИК- спектр Индиго реагента и его комплекса с ионами меди

 

В ИК спектре (рис. 2) реагента обнаруживаются следующие характеристические частоты 3416, 3767 см-1-валентные колебание гидроксильной группы, 2853, 2923 см-1 –симметричное и ассиметричное валентное колебание метильной группы. 1527-1547 см-1 –валентное колебание С=С ароматичного кольца, 1639 см-1  -валентное колебании N=N группы, 1046-1164 см-1-симметричное и ассиметричное колебание SO3-  группы.

В ИК-спектре (рис.2 б) комплексного соединения основное изменение происходит в области валентного колебания гидроксильной группы, так как в отличие от ИК- спектра реагента наблюдается очень широкая полоса в области 3422 см-1,  уширение в этой области связано с образованием основной связи между ионом металла и гидроксильной группой реагента.

Исследование спектров поглощения реагента и его комплекса с ионами меди показало  высокую контрастность  между реагентом и комплексом (∆λ=160 нм), что позволило использовать данный реагент в качестве аналитического реагента на ионы меди

Было изучено влияние различных факторов на аналитический сигнал комплекса меди с реагентом индиго: рН среды, время, температура, объем реагента, влияние концентрации реагента в водной фазе и др.

Для изучения зависимости оптической плотности растворов комплекса от количества прибавляемого реагента были приготовлены растворы с содержанием 50 мкг меди и возрастающего количества 0,1%-ого раствора реагента.  Результаты измерений приведены в таблице 1 и на рисунке 3.

Таблица 1.

Зависимость ОП комплекса меди от количества прибавляемого реагента ( =1 см, λ=750 нм, рН=2,20)

индиго, мл

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

А

0,075

0,160

0,220

0,270

0,400

0,470

0,515

0,560

0,560

 

Данные таблицы 1 и рисунка 5 показывают, что для полного связывания 50 мкг меди в комплекс, достаточно 2,0 мл 0,1 % -ного раствора реагента что и выбран в дальнейших исследованиях в качестве оптимального количества реагента.

 

Рисунок 3. Зависимость оптической плотности комплекса меди с индиго от количества прибавляемого реагента

 

Рис. 4. Зависимость аналитического сигнала комплекса меди с реагентом индиго от времени

 

Калибровочный график на медь подчиняется зависимости Ламберта-Бугера-Бера в диапазоне содержаний 2,0 -70,0 мг меди в 25 мл раствора.

 

Рисунок 5. Подчинение комплекса меди с реагентом индиго закону Бера

 

Зависимость отклика чувствительного элемента от содержания ионов меди изучали в интервале концентраций 0,2-I00 мкг/мл, постоянный отклик формируется через различные промежутки времени. График зависимости аналитического сигнала  от концентрации ионов меди (II) линеен в интервале концентраций 0,5-75,00 мкг/мл.  Предел  обнаружения меди составляет I5 нг. Sr не превышает 9,0∙I0-2.

Методика определения: В мерные колбочки емкостью 25 мл приливали реагирующие компоненты в стехиометрическом соотношении 10 мл универсального буферного раствора с рН=2,20 и объем доводили до метки дистиллированной водой. Раствор перемешивали и измеряли ОП на КФК-2, СФ-46, l=1 см. В качестве раствора сравнения использовали холостуюпробу. Результаты измерений и полученные расчетные данные представлены в таблице 2.

CH - концентрация водородных ионов. [H+]=6,3*10-3 моль/л;

 - толщина поглощающего слоя, 1 см, n=2, в=tga=1,51*10-5;

eист.= истинный коэффицент молярного светопоглошения;

n¾ стехиометрический коэффициент.

Таблица 2.

Оптическая плотность при постоянной концентрации реагента

Медь мл

Ā

С·10-6

Е

√А

1/√А

1/ Е 10-5

1.

0,5

0,053

0,94

56382

0,230

4,34

1,77

2.

1,0

0,095

1,88

50531

0,308

3,24

1,97

3.

1,5

0,140

2,82

49645

0,374

2,67

2,01

4.

2,0

0,180

3,76

47872

0,424

2,35

2,08

5.

2,5

0,220

4,70

46808

0,469

2,13

2,13

 

Рисунок 6. График Зависимости 1/Е от

 

На определение меди не мешают Na+, K+, NH4+, J-, F- в соотношениях (1:1000), Ba2+, Br-(1:500), Si4+, Zn2+, Cl-, S2O32-, SCN-, Цитрат (1:100), Cd2+, Al3+ (1:10). Ионы: Fe3+(1:2), Pb2+, Tl4+(1:1), Mn2+(1:10) в приведенных  соотношениях мешают определению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложен чувствительный аналитический реагент на медь (II) на основе синтезированного из местного сырья реагента индиго. Изучены аналитические характеристики данного реагента. Оптимизированы условия комплексообразования меди с реагентом индиго образования комплекса во времени, рН среды, избыток реагента, условия подчинения закону Бугера-Ламберта-Бера. Сняты спектры светопоглощения комплекса и самого реагента индиго которые показали высокую чувствительность и контрастность (Dl=160 нм) и определен истинный молярный коэффициент светопоглошения. Разработана методика экспрессного определения меди (II) в природных и  технологических водах. Относительное стандартное отклонение не превышает 0,09.

Таким образом, предлагаемый нами спектрофотометрический метод определения ионов меди природным красителем индиго отличается простотой аппаратурного и методического оформления, сравнительной быстротой выполнения анализа

 

Список литературы:
1. Бородкин В.Ф. Химия красителей. – М.: «Химия»,1981г.- 453с.
2. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методом анализа. - Л.: Химия, 1986. - 432 с.
3. Кричевский Г.Е.Возрождения природных красителей. – М.:Химия, 2016. – С.45-46.
4. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. - М.:Химия,1979. - 480 с.
5. Лача Г.П., Казмайер У., Кляйн Х.А. Органическая химия, Красители. Учебник. - Springer-Verlag Берлин Гейдельберг 2016, - С. 540.
6. Подчайнова В. Н., Симонова Л. Н. Аналитическая химия меди. - М.: Наука, 1990. - 578 с.
7. Неудачина Л.К., Лакиза Н.В. Химия координационных соединений. – М.:, Юрайт . - Екатеринбург ,Изд-во Уральского университета, 2017. - С . 12
8. Гордон П., Грегори П. Органическая химия красителей/ Пер. с англ. Ю. М. Славина-Мирского; Под ред. Г. Н. Ворожцова. -М.: Мир, 1987. – 344 с.
9. Степанов Б. И. Введение в химию и технологию органических красителей. – М.: Химия, 3 изд. 1984. – 592 с.
10. Бородкин В. Ф. Химия красителей. // Москва: Химия, 1981. – 248 с.
11. Harvey D. Modern analytical chemistry/ D.Harvey. McGrow Hill, 2000.
12. Travasso MIGMG, Santos PCSX, Oliveira-Campos AMF: Indigo revisited. // Adv in colour Sci technol. - 2003, 6. – Р.95-99.
13. Laurent Adele D, Andre Jean-Marie, Perpete Eric A, Jacquemin Denis: Hemiindigophotochroms: A theoretical investigation // ChemPhysLett. - 2007.-vol. 436. – Р.84-88.
14. Lakshmi U.R., Srivastava V.C., Mall I.D., Lataye D.H. Rice huks ash as an effective adsorbent: evalution of adsorptive characteristics for indigo carvine dye // J. Environ Manag . -2009.- vol.90(2). – P. 710-720.
15. Keijzer M., Van Bommel M.R., Keijzer R.H., Knaller R. Indigo carmine: understanding a problematic blue dye. Stud Coserv. – 2012. –vol. 57(1). – P. 87-95.
16. Марченко З., Бальцежак М. Методы спектрофотометрии в УФ и видимой областях в неорганическом анализе//М.:Бином 2007.711с.

 

Информация об авторах

проф. кафедры аналитической химии химического факультета Национального университета Узбекистана, 100174, Узбекистан, Ташкент, Вузгородок, химический факультет

Doctor of Chemistry, Professor, Head of Analytical Chemistry Chair, Chemistry Department, National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, 100174, Uzbekistan, Tashkent, Vuzgorodok NUUz/

докторант Хорезмской академии Маъмуна, Узбекистан, г. Хива

doctoral student of  Khorezm Academy  Mamun, Uzbekistan, Khiva city

магистрант, Национальный университет Узбекистана, Узбекистан, г. Ташкент

Master, National University of Uzbekistan, Tashkent, Uzbekistan

магистрант, Национальный университет Узбекистана, Узбекистан, г. Ташкент

Master, National University of Uzbekistan, Tashkent, Uzbekistan

докторант, Национальный университет Узбекистана, Узбекистан, г. Ташкент

doctoral student of  National University of Uzbekistan, Tashkent, Uzbekistan

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top