Результат интеллектуальной деятельности: Способ фотометрического определения железа (III) в растворах чистых солей в присутствии поверхностно-активного вещества

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к фотометрическому методу анализа, и может быть использовано для определения содержания железа Fe(III) в растворах чистых солей, содержащих Fe(III) в очень малой концентрации.

Важнейшей задачей, стоящей перед аналитическими лабораториями является мониторинг состояния и загрязнения объектов окружающей среды. Одним из наиболее важных показателей качества воды, как питьевой, так и природной (поверхностной и подземной), является содержание ионов Fe(III), концентрация которых зависит от многих факторов. Для определения железа(III) фотометрическим методом предложены органические реагенты различных классов, среди которых широко применяются хелатообразующие реагенты, содержащие ОН-группы и донорные атомы азота.

Выбор в качестве органического реагента ксиленолового оранжевого (КО) обусловлен тем, что данный реагент является доступным и широко применяемым металлохромным индикатором для прямого комплексонометрического определения ионов различных металлов, в том числе и Fe(III), но в то же время для спектрофотометрического определения используется редко.

Fe(III) в слабокислой среде образует с КО комплексное соединение [1] биколор, обладающее невысокой чувствительностью. Введение в систему третьего компонента поверхностно-активного вещества (ПАВ), вероятно, может повысить чувствительность определения Fe(III) как известно из литературы [2, 3].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ фотометрического определения Fe(III) в растворах чистых солей, который включает переведение Fe (III) в комплексное соединение с органическим реагентом и ПАВ в слабокислой среде, нагревание на водяной бане и последующее фотометрирование полученного раствора, при этом к раствору Fe (III) с рН 3,9-5,2 добавляют 50-кратное количество органического реагента, в качестве которого используют ксиленоловый оранжевый, 1,8-2,2 мл раствора ПАВ в виде 2%-ного раствора ETHAL LA-7, и воды до 10 мл объема с последующим нагреванием на водяной бане при температуре 60-80°С в течение 15 мин и добавлением в полученный раствор 1 мл ацетона [4].

Недостатками известного способа являются низкая устойчивость окраски раствора (2 час), длительное время нагревания (15 мин), необходимость наличия дополнительно органического растворителя -ацетона, отрицательно влияющего на организм человека, а также дорогостоящего французского ПАВ - ETHAL LA-7.

Технический результат заключается в сокращении времени проведения анализа, улучшении его воспроизводимости, повышении устойчивости окраски полученного комплексного соединения, за счет использования ПАВ в виде этоксилата перфтороктилового спирта и использования кюветы с толщиной равной 0,5 см.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе фотометрического определения Fe (III) производят переведение Fe (III) в комплексное соединение с органическим реагентом - КО и ПАВ в слабокислой среде. Для построения градуировочного графика к 0,5 мл (0,8-2,0)⋅10^-3 М раствору Fe (III) с рН равным 4,0-5,0, создаваемым введением 3,0 мл ацетатного буферного раствора, добавляют 1,0 мл 1⋅10^-2 М раствора КО и 0,2 мл 4⋅10^-3 М раствора ПАВ в виде этоксилата перфтороктилового спирта. Добавляют дистиллированную воду до 10 мл объема, нагревают на водяной бане при температуре 60-80°С в течение 10 мин и фотометрируют полученный раствор при длине волны равной 540 нм и толщине кюветы равной 0,5 см.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе фотометрического определения Fe(III) производят переведение Fe(III) в комплексное соединение с органическим реагентом - КО и ПАВ в слабокислой среде. Для построения градуировочного графика к (0,8-2,0)⋅10^-3 М раствору Fe(III) с рН равным 4,0-5,0, создаваемым введением 3,0 мл ацетатного буферного раствора, добавляют 1,0 мл 1⋅10^-2 М раствора КО и 0,2 мл 4⋅10^-3 М раствора ПАВ в виде этоксилата перфтороктилового спирта. Добавляют дистиллированную воду до 10 мл объема, нагревают на водяной бане при температуре 60-80°С в течение 10 мин и фотометрируют полученный раствор при длине волны равной 540 нм и толщине кюветы равной 0,5 см.

В изобретении используют следующие реагенты:

1. ПАВ-1 - этоксилат перфтороктилового спирта:

F-(-CH₂-CH₂-)₈-(-CH₂-CH₂O-)₇-H.

2. ПАВ-2 - 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 - гептаоксолентриаконтанол-1:

С₁₀Н_(2n+1)О-(-CH₂-CH₂-О-)₇-Н, где n=10.

4⋅10^-3 М растворы ПАВ готовят растворением рассчитанной навески в дистиллированной воде.

3. Стандартный 1⋅10^-2 М раствор Fe(III) готовят растворением рассчитанной навески сульфата Fe(III) (х.ч.) в воде при подкислении раствором серной кислоты (H₂SO₄) для предотвращения гидролиза. Точную концентрацию полученного раствора определяют гравиметрическим методом. Для изучения оптимальных условий комплексообразования Fe(III) с КО рабочий раствор Fe(III) 1⋅10^-3 М получают разбавлением исходного раствора дистиллированной водой.

4. 1⋅10^-2 М раствор КО, который готовят растворением соответствующей навески в дистиллированной воде. КО - органический реагент, применяемый при комплексонометрическом титровании. Температура плавления 222°С; растворим в воде, не растворим в этаноле, диэтиловом эфире. Получают аминометилированием крезолового красного действием CH₂O и иминодиуксусной кислотой в СН₃СООН.

5. Для создания необходимой кислотности среды применяют ацетатные буферные растворы, которые готовят из 1 М раствора СН₃СООН и 1 М раствора CH₃COONa согласно данным табл. 1.

Пример. Определение оптимальных условий комплексообразования Fe(III) с КО в присутствии ПАВ-1.

В градуированные пробирки помещают по 0,5 мл 1⋅10^-3 М раствора Fe(III) с рН равным 4,7, по 3 мл ацетатных буферных растворов с переменным значением рН, по 1 мл 1⋅10^-2 М раствора КО, по 0,2 мл 4⋅10^-3 М раствора ПАВ-1. Ионную силу растворов для хорошей воспроизводимости анализа равную 0,6 поддерживают постоянной добавлением рассчитанного количества раствора нитрата калия (KNO₃). Общий объем раствора доводят до 10 мл дистиллированной водой. Реакционную смесь нагревают 10 мин на водяной бане при температуре равной 60-80°С, по охлаждении фотометрируют относительно растворов сравнения. На фиг. 1 показаны спектры светопоглощения комплекса Fe(III) + КО + ПАВ-1 (1) и КО + ПАВ-1 (2); фиг. 2 - зависимость А - рН комплекса Fe(III) + КО + ПАВ-1; фиг. 3 - зависимость А - V_ПАВ, мл, для комплекса Fe(III) + КО + ПАВ-1; фиг. 4 - зависимость А - V_КО, мл, для комплекса Fe(III) + КО + ПАВ-1.

Линейность градуировочного графика для системы Fe(III) + КО + ПАВ-1 (λ_max=540 нм; рН_опт=4,1; V_ПАВ=0,2 мл 4⋅10^-3 М; V_КO=1 мл 10^-2 М) соблюдается в интервале концентраций (0,8-2)⋅10^-3 М Fe(III).

Расчет величины молярного коэффициента светопоглощения комплексного соединения Fe(III) + КО + ПАВ-1:

Температуру и продолжительность нагревания устанавливали опытным путем. Интенсивность окраски полученных комплексных соединений сохраняется в течение 5 час.

При сравнении величин молярных коэффициентов светопоглощения комплексного соединения Fe(III) с КО в присутствии ПАВ-1 и отсутствии ПАВ-1 (ε_Fe(II[)+КО=26000) [3, с. 339] оказалось, что:

величина молярного коэффициента светопоглощения трехкомпонентного комплексного соединения оказалась больше, чем бинарного.

Методом изомолярных серий установлено соотношение Me : R между Fe(III) и КО при постоянной концентрации ПАВ-1 равное 1:2. Вероятная структура комплексного соединения Fe(III) + КО + ПАВ-1 при соотношении компонентов Me : R=1:2 представлена на фиг. 5.

Вытесняя водород из аминогрупп в КО Fe(III) образует с азотом донорно-акцепторную связь и такую же связь с хиноидным кислородом фенильного кольца основы. Подобные же связи Fe(III) образует еще с одной молекулой КО, так как соотношение Me : R=1:2. Возникает шесть донорно-акцепторных связей с азотом, что допускается для трехвалентного элемента, у которого координационное число равно 4 или 6. Образуются шесть 5-ти- и 6-ти-членных циклов (при соотношении Me : R=1:2). Этому способствуют особенности ПАВ-1, который группирует, сближает КО и Fe(III), за счет чего величина молярного коэффициента светопоглащения резко возрастает.

Разработаны оптимальные условия комплексообразования Fe(III) с КО в трехкомпонентной фотометрической системе в присутствии ПАВ-1 - этоксилата перфтороктилового спирта (λ_max, рН_опт, V_КО, V_ПАВ, температура и время нагревания, пределы линейности градуровочного графика). Сравнение величин молярных коэффициентов светопоглощения по сравнению с бинарной показало, что чувствительность увеличилась ~ в 2 раза в трехкомпонентной системе по сравнению с соответствующей бинарной, что позволяет определять Fe(III) в анализируемом растворе до 10^-5 М концентрации.

Изучение оптимальных условий комплексообразования Fe(III) с КО в присутствии ПАВ-2:

В градуированные пробирки помещают по 1 мл 1⋅10^-3 М раствора Fe(III), по 3 мл ацетатных буферных растворов с переменным значением рН 3,0-5,0, по 0,1 мл 4⋅10^-3 М раствора ПАВ-2, по 0,5 мл 1⋅10^-2 М раствора КО. Ионную силу растворов для хорошей воспроизводимости анализа равную 0,6 поддерживают постоянной добавлением рассчитанного количества раствора нитрата калия (KNO₃). Общий объем раствора доводят до 10 мл дистиллированной водой. Реакционную смесь нагревают 10 мин на водяной бане при температуре равной 60-80°С, по охлаждении фотометрируют относительно растворов сравнения. На фиг. 6 показаны спектры светопоглощения комплекса Fe(III) + КО + ПАВ-2 (1) и КО + ПАВ-2 (2); фиг. 7 - зависимость А - рН комплекса Fe(III) + КО + ПАВ-2; фиг. 8 - зависимость А - V_ПАВ, мл, для комплекса Fe(III) + КО + ПАВ-2; фиг. 9 - зависимость А - V_КО, мл, для комплекса Fe(III) + КО + ПАВ-2.

Линейность градуировочного графика для системы Fe(III) + КО + ПАВ-2 (λ_max=440 нм; pH_max=4,1; V_ПАВ-2=0,1 мл 4⋅10^-3 М; V_КО=0,5 мл 10^-2 М) соблюдается в интервале концентраций (1-6)⋅10^-4 М Fe(III).

Расчет величины молярного коэффициента светопоглощения комплексного соединения Fe(III) + КО + ПАВ-2:

Температуру и продолжительность нагревания устанавливают опытным путем. Интенсивность окраски полученных комплексных соединений сохраняется в течение 5 час. Чувствительность определения Fe(III) с КО в присутствии ПАВ-2 по сравнению с бинарным комплексом не изменяется.

Методом изомолярных серий установлено соотношение Me : R=1:1 при постоянной концентрации ПАВ-2.

По сравнению с известным бинарным комплексным соединением Fe(III) с КО предлагаемое позволяет повысить чувствительность способа фотометрического определения Fe(III) за счет использования органического реагента КО в присутствии ПАВ-1 - этоксилата перфтороктилового спирта. Молярный коэффициент светопоглощения предлагаемого способа в 2 раза превышает эту величину в соответствующем бинарном комплексном соединении Fe(III) с КО, что позволяет определять Fe(III) в растворах чистых солей в очень малой концентрации.

Кроме того по сравнению с прототипом толщина кюветы равная 0,5 см быстро заполняется, время нагревания на водяной бане комплексного соединения для получения максимальной интенсивности окраски сокращено на 5 мин, соответственно для анализа требуется меньше времени. У предлагаемого способа хорошая воспроизводимость анализа, образующийся комплекс более устойчив (окраска сохраняется в течение 5 час), комплексное соединение не выпадает в осадок, а реакция его образования идет в водной среде, поэтому отсутствует необходимость в органических растворителях, отрицательно влияющих на организм человека.

Источники информации

1. Булатов М.И., Калинкин И.П., Практическое руководство по фотоколориметрическим и спектрофотометрическим методам анализа. - «Химия», 1976. - С. 244, 406.

2. Hiroto Watanabe. Spektrophotometric determination of cobalt with 1-(2-pyridilazo-2 naftanol and surfact-ants. - Talanta, Vol. 21 pp. 295 - 302, 1974/ Хирото Ватанабе. Спектрофотометрическое определение кобальта с 1-(2-пиридилазо)-2-нафтанолом и поверхностно-активными веществами. - Таланта, 1974. Вып. 21, - С. 295-302.

3. RU 2312338, МПК G01N 31/22, G01N 21/78, опубл. 10.12.2007.

4. RU 2531053, МПК G01N 31/22, G01N 21/78, опубл. 20.10.2014.