1
BADANIE ZAWARTOŚCI ZWIĄZKÓW FOSFORU (OZNACZANIE FOSFORU OGÓLNEGO).
Wprowadzenie:
Fosfor w skorupie ziemskiej nie występuje w postaci pierwiastkowej. Najczęściej spotyka się związki fosforu w postaci apatytów – minerału składającego się głównie z fosforanu wapnia z różnorodnymi domieszkami. Mogą być to: fluoroapatyty (Ca5(PO4)3F), hydroksyapatyty (Ca5(PO4)3OH) lub berlinity (AlPO5). Fosfor w dużych ilościach zalega również w organicznych pokładach guana ptasiego lub kościach zwierząt.
2 Rys. 1. Schemat cyklu biogeochemicznego fosforu w przyrodzie.
Obieg fosforu należy do tzw. typu sedymentacyjnego (nie występuje faza gazowa w cyklu biogeochemicznym). Wśród najważniejszych biogenów jest to więc wyjątek. Dlatego też w porównaniu z nimi, przemieszczanie się fosforu w środowisku jest utrudnione, ponadto związki fosforu rozpuszczają się dobrze tylko w środowisku kwaśnym, a w środowisku zasadowym ma tendencję do występowania w formie trwałej, trudno dostępnej dla roślin, jako fosforan wapnia, żelaza czy manganu.
Fosfor obok azotu i węgla stanowi podstawowy składnik pokarmowy, a zatem decyduje o produkcji biologicznej. Najczęściej jednak to fosfor jest czynnikiem ją ograniczającym. Jego brak powoduje obniżenie przyrostu biomasy ekosystemów wodnych.
Z tego samego powodu dodanie nawet niewielkiej ilości związków tego pierwiastka do wód śródlądowych jest przyczyną masowych zakwitów glonów i wodorostów, które w procesie
3 obumierania ulegają bakteriologicznej degradacji, czego następstwem jest deficyt rozpuszczonego tlenu i tzw. „przyducha”.
Związki fosforu trafiają do wód powierzchniowych w wyniku wietrzenia skał i rozpuszczania minerałów fosforanowych, erozji gleby, spływu powierzchniowego z terenów rolniczych gdzie prowadzi się zintensyfikowane nawożenie nawozami sztucznymi i mineralnymi, odprowadzania do wód ścieków komunalnych czy przemysłowych oraz wraz z opadami atmosferycznymi. W wodach fosfor występuje głównie w postaci ortofosforanów, przy czym w najczęściej spotykanym zakresie pH dominuje w formie jonów HPO42-
i H2PO4-
. Ponadto w wodach występują w dużych stężeniach również poli- i metafosforany oraz organiczne połączenia fosforu, obecne zwłaszcza w osadach i niektórych rodzajach ścieków, których skład jest bardzo zróżnicowany. W przypadku ścieków miejskich ich skład zależy od charakteru i wielkości aglomeracji oraz rodzaju i udziału przemysłu.
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodyką oznaczania fosforu ogólnego, poprzez przeprowadzenie wszystkich połączeń fosforu obecnych w badanej próbce wody w fosforany(V) na drodze mineralizacji i ich oznaczeniu ekstrakcyjno-kolorymetryczną metodą molibdenianową z kwasem askorbinowym jako reduktorem.
Zasada metody:
W środowisku kwaśnym fosforany(V) tworzą z molibdenianem amonu w obecności jonów antymonu związek kompleksowy, z którego po redukcji kwasem askorbinowym powstaje błękit fosforomolibdenowy. Utworzony błękit ekstrahuje się alkoholem izoamylowym. Intensywność zabarwienia ekstraktu jest proporcjonalna do zawartości fosforanów(V) i określa się ją za pomocą spektrofotometru lub kolorymetru fotoelektrycznego przy długości fali 680 nm.
4 Odczynniki:
1. kwas siarkowy(VI), d=1,84 g/cm3 2. kwas siarkowy(VI) (1+1)
3. kwas siarkowy(VI) (1+6)
4. nadtlenodisiarczan diamonu [(NH4)2S2O8] roztwór 4,2 % (m/m) 5. wodorotlenek sodu, roztwór 10 % (m/m)
6. fenoloftaleina wskaźnik, roztwór: rozpuścić 1 g fenoloftaleiny w 100 cm3 etanolu 7. alkohol izoamylowy
8. alkohol etylowy
9. kwas askorbinowy (C6H8O6), roztwór 10 % (m/m)
10. odczynnik mieszany: przygotować 100 cm3 13 % (m/m) roztworu molibdenianu amonowego [(NH4)6Mo7O24 * 4H2O] oraz 100 cm3 0,35 % (m/m) roztworu winianu antymonylo-potasowego [K(SbO)C4H4O6 * 1/2H2O]. Oba te roztwory wlać kolejno do 300 cm3 roztworu kwasu siarkowego (1+1). Odczynnik przechowywany w ciemnej butelce jest trwały przez około 2 miesiące.
11. fosforan jednopotasowy (KH2PO4), roztwór wzorcowy podstawowy: w kolbie miarowej pojemności 1 dm3 rozpuścić w wodzie 1,4327 g fosforanu jednopotasowego, wysuszonego uprzednio w temperaturze 110oC do stałej masy.
Dopełnić wodą do kreski, wymieszać. 1 cm3 tak przygotowanego roztworu zawiera 1 mg jonów PO43-.
12. fosforan jednopotasowy (KH2PO4), roztwór wzorcowy roboczy: do kolby miarowej pojemności 1 dm3 odmierzyć 5 cm3 roztworu wzorcowego podstawowego, dopełnić wodą destylowaną do kreski i wymieszać. 1 cm3 tak przygotowanego roztworu zawiera 0,005 mg jonów PO43-. Roztwór jest nietrwały i należy go przygotować w dniu wykonywania oznaczenia.
5 UWAGA
Wszelkie roztwory pipetować z użyciem nasadki. Przy pracy z kwasami stosować okulary ochronne.
Pozostałe po oznaczeniu roztwory przenieść do przeznaczonych na odpady pojemników.
Sprzęt laboratoryjny i aparatura pomiarowa:
Spektrofotometr o zakresie obejmującym długość fali 680 nm lub kolorymetr fotoelektryczny z filtrem czerwonym o maksymalnej przepuszczalności przy długości fali 680 nm, cylindry miarowe z korkami na szlif, kolby miarowe o objętości 50 cm3.
Przygotowanie skali wzorców i sporządzenie krzywej wzorcowej:
Do pięciu cylindrów miarowych z korkami na szlif, pojemności 100 cm3 odmierzyć kolejno 0,0; 1,0; 2,0; 4,0; i 6,0 cm3 roboczego roztworu wzorcowego KH2PO4 i dopełnić wodą destylowaną do objętości 50 cm3. Tak przygotowane wzorce zawierają odpowiednio następujące ilości fosforanów: 0,000; 0,005; 0,01; 0,02 i 0,03 mg. Do wzorców dodać po 2 cm3 roztworu kwasu askorbinowego, wymieszać, dodać po 4 cm3 roztworu odczynnika mieszanego i ponownie wymieszać. Po 10 min do każdego wzorca dodać 10 cm3 alkoholu izoamylowego i wstrząsać przez około 1 min. Odczekać do rozdzielenia się warstw, następnie kolejno z każdego cylindra z górnej warstwy odmierzyć suchą pipetą 5 cm3 ekstraktu do suchych plastikowych probówek o pojemności ok. 15 cm3. Dodać po 0,5 cm3 alkoholu etylowego i wymieszać. Pomiar absorbancji poszczególnych wzorców wykonać nie później niż przed upływem 30 min na spektrofotometrze lub fotokolorymetrze, przy długości
6 fali 680 nm, używając kuwet o grubości warstwy absorbującej 1 cm. Jako odnośnik stosować roztwór kontrolny znajdujący się w pierwszym wzorcu (nie zawierający fosforanów). Krzywą wzorcową wykreślić, odkładając na osi odciętych stężenia fosforanów w mg jonów PO43-, a na osi rzędnych – wartości absorbancji.
Wykonanie oznaczenia:
Mineralizacja próbki:
Próbkę o objętości 50 cm3 przenieść do kolby stożkowej o objętości 200 cm3, następnie przy użyciu roztworu kwasu siarkowego (1+6) doprowadzić pH próbki do wartości poniżej 1 wobec papierka wskaźnikowego. Dodać 4 cm3 roztworu nadtlenodisiarczanu diamonu. W szyjce kolby umieścić lejek, ciecz ogrzać i utrzymywać w stanie łagodnego wrzenia przez 30 min. Zwrócić uwagę aby objętość cieczy nie była większa niż 25cm3. W razie potrzeby objętość próbki uzupełnić wodą destylowaną. Po zakończeniu mineralizacji próbkę ostudzić, a jeżeli ciecz jest mętna przesączyć ilościowo przez sączek bibułowy, zobojętnić za pomocą roztworu wodorotlenku sodowego wobec fenoloftaleiny.
Mineralizacja próbki ma na celu utlenienie całego materiału organicznego, rozerwanie wiązań C-P oraz C-O-P, rozpuszczenie zawiesin i uwolnienie fosforu w postaci rozpuszczalnych fosforanów(V).
Oznaczanie zawartości fosforanów w próbce:
Do cylindra miarowego z korkiem na szlif, pojemności 50 cm3, odmierzyć 25 cm3 próbki, dodać 2 cm3 kwasu askorbinowego, wymieszać, dodać 4 cm3 odczynnika mieszanego i ponownie wymieszać. Po 10 min dodać 10 cm3 alkoholu izoamylowego
7 i wytrząsać przez ok. 1 min. Odczekać do rozdzielenia się warstw. Następnie z górnej warstwy odmierzyć suchą pipetą 5 cm3 ekstraktu do suchej plastikowej probówki o pojemności ok. 15 cm3. Dodać 0,5 cm3 alkoholu etylowego i wymieszać. Przelać roztwór do kuwety o grubości warstwy absorbującej 1 cm i przed upływem 30 min wykonać pomiar absorbancji przy długości fali 680 nm, stosując jako odnośnik roztwór kontrolny znajdujący się w pierwszym wzorcu (nie zawierający fosforanów).
Obliczanie wyników oznaczenia:
Stężenie fosforu ogólnego w przeliczeniu na jony PO43-
(X) obliczyć w mg/dm3 wg wzoru:
X=a*10
w którym a – zawartość rozpuszczonych fosforanów w badanej próbce po mineralizacji, w przeliczeniu na jony PO43-
, odczytana z krzywej wzorcowej (mg).
UWAGA
W sprawozdaniu należy umieścić:
1. Wykres zależności A=f(awz); gdzie: A – absorbancja, awz – zawartość jonów PO43-
w mg.
2. Obliczenia dotyczące zawartości fosforu ogólnego w badanej próbce w przeliczeniu na jony PO43-
.
3. Zaklasyfikować badaną próbę wody pod względem zawartości fosforu ogólnego zgodnie z rozporządzeniem ministra środowiska z dnia 11 lutego 2004r. w sprawie
8 klasyfikacji dla prezentowania stanu wód powierzchniowych i podziemnych, sposobu prowadzenia monitoringu oraz sposobu interpretacji wyników i prezentacji stanu tych wód(Dz. U. Nr 32, poz. 284) – załącznik nr 1 (proszę zwrócić uwagę na jednostki).
Zakres materiału do przygotowania:
1. Chemia fosforu – występowanie, formy jonów fosforanowych, rozpuszczalność fosforanów, fosfor nieorganiczny i fosfor organiczny, obieg fosforu w przyrodzie.
2. Naturalne i antropogeniczne źródła fosforanów.
3. Podstawy fizykochemiczne stosowanego oznaczenia fosforu.
4. Nawozy mineralne.
5. Fosforany, a zjawisko eutrofizacji.
Literatura
1. PN-91 C-04537/09 2. PN-73 C-04537/01
3. Hermanowicz W., Dojlido J., Dożańska W., Koziorowski B., Zerbe J., Fizyczno- chemiczne badanie wody i ścieków, Arkady, W-wa 1999
4. Gomólka E., Szaynok A., Chemia wody i powietrza, Oficyna wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997
5. Chełmicki W., Woda, zasoby, degradacja, ochrona, PWN, W-wa 2002
opracował: R. Dałkowski, E. Miękoś, R. Juszczak, B. Krawczyk, D. Szczukocki
