Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

UNIWERSYTET GDAŃSKI
WYDZIAŁ CHEMII
Pracownia studencka
Zakład Analizy Środowiska
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Ćwiczenie nr 2
METODY EKSTRAKCJI ZANIECZYSZCZEŃ O
CHARAKTERZE SŁABYCH KWASÓW LUB
SŁABYCH ZASAD
Pracownia dyplomowa (Chemia)
Gdańsk, 2012
2. Pracownia dyplomowa (Chemia) – Metody ekstrakcji słabych kwasów oraz słabych zasad
2
1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA
Zasadnicza część zanieczyszczeń chemicznych obecnych w środowisku to związki
organiczne. Podczas określania zawartości związku w określonym komponencie środowiska należy
brać pod uwagę fizykochemiczne cechy badanej substancji. Rutynowo stosowane procedury
analityczne obejmują różne metody ekstrakcji analizowanych związków zarówno metodami
klasycznymi (ekstrakcja ciecz–ciecz, ciecz–ciało stałe), jak i przy użyciu metod instrumentalnych,
oferujących pracę w wysokiej temperaturze i w warunkach podwyższonego ciśnienia (np. ASE –
accelerated solvent extraction). Ze względu na fakt, iż znaczna część związków organicznych to
substancje o charakterze lipofilowym, zazwyczaj etap ekstrakcji ogranicza się do zastosowania
wybranego niepolarnego rozpuszczalnika organicznego przy założeniu, że wydajność ekstrakcji jest
wysoka ze względu na znaczne powinowactwo analizowanych związków do fazy organicznej.
Nieco inaczej sytuacja przedstawia się, gdy mamy do czynienia ze związkami, których właściwości
kwasowo–zasadowe determinują formę, w jakiej są one obecne w środowisku. Substancje
wykazujące charakter kwasowy będą obecne w środowisku w formie wolnego związku i/lub w
formie zjonizowanej, jako aniony odpowiednich soli. W przypadku związków o charakterze
zasadowym możliwe jest występowanie analitu w postaci wolnej oraz w postaci kationu
odpowiedniej soli. Przewaga jednej formy nad drugą będzie zależna od pH środowiska. Wolne
związki są w przeważającej większości bardziej lipofilowe, podczas gdy formy zjonizowane –
hydrofilowe. W przypadku analizy substancji o takich właściwościach, dobranie odpowiednich
warunków ekstrakcji, zapewniających wyizolowanie związku obecnego w obu formach, jest w
takiej sytuacji warunkiem uzyskania wiarygodnych wyników analiz ilościowych. Niniejsze
ćwiczenie obejmuje porównanie wydajności różnych metod ekstrakcji słabego kwasu (kwasu 2,4dichlorofenoksyoctowego; w skrócie 2,4-D) oraz słabej zasady (na przykładzie nikotyny).
Kwas 2,4-D jest herbicydem z grupy chlorowanych kwasów fenoksykarboksylowych.
Struktura 2,4-D, a także kwasu 2,4-dichlorofenylooctowego, który będzie stosowany jako wzorzec
wewnętrzny, została przedstawiona na Rysunku 1. Ze względu na fakt, iż omawiany związek ma
charakter słabego kwasu, w środowisku będzie występować w formie zjonizowanej lub wolnego
związku, w zależności od pH. Ujemny logarytm ze stałej dysocjacji 2,4-D (pKa) wynosi 2,7.
Oznacza to, że przy takiej wartości pH kwas ten jest zjonizowany w 50%. Przy wyższym pH
jonizacja następuje w większym stopniu, zaś w roztworach mocnych zasad substancja ta występuje
w formie soli. Kwas 2,4-D w formie wolnej jest słabo rozpuszczalny w wodzie (620-900 mg/L),
natomiast jego sole są bardzo dobrze rozpuszczalne.
2. Pracownia dyplomowa (Chemia) – Metody ekstrakcji słabych kwasów oraz słabych zasad
3
Rys. 1. Wzory strukturalne kwasu 2,4-dichlorofenoksyoctowego (2,4-D) oraz kwasu 2,4dichlorofenylooctowego (IS).
Substancją modelową o charakterze zasadowym będzie w niniejszym ćwiczeniu nikotyna.
Wybór ten jest podyktowany faktem, iż znaczna liczba zanieczyszczeń środowiska wykazuje
podobne właściwości kwasowo-zasadowe, a co za tym idzie, zachowuje się w zbliżony sposób
podczas zmian warunków środowiska. Dotyczy to m. in. związków aminowych, a także znacznej
liczby farmaceutyków i pestycydów, posiadających w swej budowie np. heterocykliczny atom
azotu. Dodatkowo, interesującą właściwością nikotyny jest jej rozpuszczalność (w formie wolnej)
zarówno w wodzie, jak i w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych. Nikotyna jest alkaloidem
pochodzenia roślinnego, występującym w znacznej ilości głównie w roślinach z rodzaju Nicotiana.
Poza zastosowaniem jako używka, nikotyna bywa wykorzystywana jako substancja aktywna bądź
dodatek do komercyjnie dostępnych insektycydów (zwykle w postaci wolnej zasady lub wodnego
roztworu siarczanu nikotyny). Na Rysunku 2 przedstawiony jest wzór strukturalny nikotyny oraz
4,4'-dipirydylu, który będzie stosowany jako wzorzec wewnętrzny.
Ze względu na właściwości kwasowo-zasadowe, nikotyna może występować zarówno w
formie wolnej zasady, jak i soli. Nikotyna w formie wolnej jest oleistą cieczą, rozpuszczalną
wprawdzie zarówno w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych, jak i w wodzie, ale o
zauważalnie lipofilowym charakterze (log P = 1,2; można ją zatem zaklasyfikować jako substancję
średnio lipofilową). Sole nikotyny są zwykle substancjami stałymi, dobrze rozpuszczalnymi w
wodzie i nierozpuszczalnymi w większości związków organicznych. Forma, w jakiej występuje
nikotyna, jest ściśle uzależniona od pH środowiska. W roztworach silnie zasadowych obecna jest
wolna nikotyna, w kwaśnych zaś – jej odpowiednia sól (patrz Rysunek 3). Zależnie od warunków,
protonowanie nikotyny może zachodzić zarówno na atomie azotu w pierścieniu pirydylowym, jak
pirolidylowym, przez co możliwe jest powstawanie soli zarówno 'pojedynczych', jak i
'podwójnych'. Zarówno wolna nikotyna, jak i jej sole są obecne przy pH zbliżonym do obojętnego,
przy czym przeważa forma soli. Sytuacja odwrotna ma miejsce przy pH około 9.
2. Pracownia dyplomowa (Chemia) – Metody ekstrakcji słabych kwasów oraz słabych zasad
4
Rys. 2. Wzory strukturalne nikotyny (z lewej) oraz stosowanego jako wzorzec wewnętrzny 4,4'dipirydylu (z prawej).
Zatrucie nikotyną jest możliwe w wyniku jej wchłonięcia przez układ oddechowy (nikotyna
w formie wolnej zasady jest stosunkowo lotnym związkiem, toteż zatrucia tego typu zdarzały się
głównie podczas używania pestycydów zawierających wolną nikotynę), przez skórę lub oczy
(głównie przy stosowaniu pestycydów, także przy zbiorze tytoniu, lub w wyniku wypadku w
laboratorium). Wchłanianie przez układ pokarmowy jest mało intensywne ze względu na niskie pH
panujące w żołądku (przez co dominuje nikotyna w formie hydrofilowej soli).
Rys. 3. Schemat przedstawiający tworzenie się soli nikotyny w środowisku kwaśnym.
2. WYKONANIE ĆWICZENIA
UWAGA!!! Nikotyna jest związkiem silnie toksycznym i dobrze wchłania się
przez skórę! Należy bezwzględnie stosować rękawiczki!
2.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zbadanie skuteczności metod ekstrakcji 2,4-D oraz nikotyny z próbek
wodnych oraz z materiału roślinnego.
2. Pracownia dyplomowa (Chemia) – Metody ekstrakcji słabych kwasów oraz słabych zasad
5
2.2. Wykonanie ćwiczenia
2.2.1. Ekstrakcja 2,4-D z materiału roślinnego
Odważyć dwie próbki po 0,25 g materiału roślinnego skażonego 2,4-D z dokładnością do
1 mg. Przenieść odważone próbki do kolb stożkowych o pojemności 100 mL. Do jednej
próbki dodać 50 mL dichlorometanu, do drugiej 10 mL 0,1 M wodnego roztworu HCl oraz
50 mL dichlorometanu i umieścić obie próbki na 0,5 godziny w łaźni ultradźwiękowej
(UWAGA! Nie stosować podwyższonej temperatury!). Po zakończeniu ekstrakcji, do
drugiej próbki dodać 2 łyżki bezwodnego siarczanu (VI) sodu. Uzyskane ekstrakty
przesączyć przez warstwę bezwodnego siarczanu (VI) sodu na sączku do kolb
okrągłodennych o pojemności 100 mL. Do ekstraktów dodać wzorzec wewnętrzny (kwas
2,4-dichlorofenylooctowy,
ilość
według
wskazań
prowadzącego).
Odparowywać
dichlorometan na wyparce rotacyjnej do objętości około 1 mL. Następnie ekstrakt przenieść
ilościowo do butelek 2 mL. Uzyskane ekstrakty zabezpieczyć taśmą teflonową i pozostawić
do kolejnych ćwiczeń.
2.2.2. Ekstrakcja 2,4-D z wody
Odmierzyć trzy próbki po 10 mL wody skażonej 2,4-D. Przenieść próbki do probówek
miarowych o pojemności 25 cm3. Następnie, korzystając z dostępnych roztworów wodnych
HCl oraz NaOH, doprowadzić dwie z próbek do pH: 2 oraz 12 (w obu przypadkach ± 1).
Dodać do wszystkich próbek po 10 mL dichlorometanu, zamknąć probówki korkiem i
energicznie wytrząsać przez 2-3 minuty. Po rozdzieleniu się warstw, warstwę organiczną
(która???) przenieść za pomocą pipety Pasteura do kolby stożkowej o pojemności 50 mL.
Ekstrakcję powtórzyć dwukrotnie kolejnymi porcjami dichlorometanu. Do połączonych
ekstraktów dodawać bezwodny siarczan (VI) sodu, aż przestanie się zbrylać, po czym
przesączyć je do kolb okrągłodennych o pojemności 50 mL. Do ekstraktów dodać wzorzec
wewnętrzny (kwas 2,4-dichlorofenylooctowy, ilość według wskazań prowadzącego).
Odparowywać dichlorometan na wyparce rotacyjnej do objętości około 1 mL. Następnie
ekstrakt przenieść ilościowo do butelek 2 mL. Uzyskane ekstrakty zabezpieczyć taśmą
teflonową i pozostawić do kolejnych ćwiczeń.
2. Pracownia dyplomowa (Chemia) – Metody ekstrakcji słabych kwasów oraz słabych zasad
6
2.2.3. Ekstrakcja nikotyny z materiału roślinnego
Odważyć dwie próbki po 0,25 g materiału roślinnego skażonego nikotyną z
dokładnością do 1 mg. Przenieść odważone próbki do kolb stożkowych o pojemności 100
mL. Do jednej próbki dodać 50 mL dichlorometanu, do drugiej 10 mL 5% wodnego
roztworu NaOH oraz 50 mL dichlorometanu i umieścić obie próbki na 0,5 godziny w łaźni
ultradźwiękowej (UWAGA! Nie stosować podwyższonej temperatury!). Po zakończeniu
ekstrakcji, do drugiej próbki dodać 2 łyżki bezwodnego siarczanu (VI) sodu. Uzyskane
ekstrakty przesączyć przez warstwę bezwodnego siarczanu (VI) sodu na sączku do kolb
okrągłodennych o pojemności 100 mL. Do ekstraktów dodać wzorzec wewnętrzny (4,4'dipirydyl, ilość według wskazań prowadzącego). Odparowywać dichlorometan na wyparce
rotacyjnej do objętości około 1 mL. Następnie ekstrakt przenieść ilościowo do butelek 2
mL. Uzyskane ekstrakty zabezpieczyć taśmą teflonową i pozostawić do kolejnych ćwiczeń.
2.2.4. Ekstrakcja nikotyny z wody
Odmierzyć trzy próbki po 10 mL wody skażonej nikotyną. Przenieść próbki do probówek
miarowych o pojemności 25 cm3. Następnie, korzystając z dostępnych roztworów wodnych
HCl oraz NaOH, doprowadzić dwie z próbek do pH: 2 oraz 12 (w obu przypadkach ± 1).
Dodać do wszystkich próbek po 10 mL dichlorometanu, zamknąć probówki korkiem i
energicznie wytrząsać przez 2-3 minuty. Po rozdzieleniu się warstw, warstwę organiczną
(która???) przenieść za pomocą pipety Pasteura do kolby stożkowej o pojemności 50 mL.
Ekstrakcję powtórzyć dwukrotnie kolejnymi porcjami dichlorometanu. Do połączonych
ekstraktów dodawać bezwodny siarczan (VI) sodu, aż przestanie się zbrylać, po czym
przesączyć je do kolb okrągłodennych o pojemności 50 mL. Do ekstraktów dodać wzorzec
wewnętrzny (4,4'-dipirydyl, ilość według wskazań prowadzącego). Odparowywać
dichlorometan na wyparce rotacyjnej do objętości około 1 mL. Następnie ekstrakt przenieść
ilościowo do butelek 2 mL. Uzyskane ekstrakty zabezpieczyć taśmą teflonową i pozostawić
do kolejnych ćwiczeń.
3. OPRACOWANIE WYNIKÓW
Wyniki zostaną opracowane zbiorczo po zakończeniu ćwiczeń 1-4.
2. Pracownia dyplomowa (Chemia) – Metody ekstrakcji słabych kwasów oraz słabych zasad
7
4. SZKŁO I ODCZYNNIKI
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
próbki wody skażonej 2,4-D oraz nikotyną
materiał roślinny skażony 2,4-D oraz nikotyną
dichlorometan
0,1 M roztwór HCl
5% roztwór NaOH
roztwory wzorców – kwasu 2,4-dichlorofenylooctowego
dichlorometanie
bezwodny siarczan (VI) sodu
waga analityczna
wyparka rotacyjna
szpatułka metalowa – 2 szt.
pipeta Pasteura – 8 szt.
bagietka szklana – 2 szt.
butelka z nakrętką (objętość 2 mL) – 8 szt.
strzykawka szklana 100 μl – 1 szt.
probówka miarowa 25 mL z korkiem – 6 szt.
cylinder miarowy 50 mL – 2 szt.
cylinder miarowy 10 mL – 4 szt.
kolby stożkowe 50 mL – 6 szt.
kolby stożkowe 100 mL – 4 szt.
kolba okrągłodenna 50 mL – 6 szt.
kolba okrągłodenna 100 mL – 4 szt.
lejek szklany – 8 szt.
sączki twarde jakościowe
oraz
4,4'-dipirydylu
w