實驗十 水樣中鐵的檢測 一 目的 利用紫外線 可見光光譜儀 ( UV visible spectrophotometer ) 檢測水 樣中鐵的含量 圖 10-1 將樣品放入 cell 圖 10-2 將 cell 放入 UV VIS 光譜儀中 - 1 -
二 原理 A. 亞鐵離子與 1,10 二氮雜菲的錯合 1,10 phenanthroline (orthophenanthroline) 經常用來檢測供應水中的 亞鐵離子含量 此試劑是弱鹼性, 在酸性介質中形成 phenanthrolinium ion,phenh + phenh + 的兩個氮原子, 共提供二對孤對電子與 Fe 2+ 形成 配位共價鍵 三個 orthophenanthroline 分子與 Fe 2+ 結合, 形成穩定的錯 合物 Fe 2+ + 3 phenh + Fe(phen 3 ) 2+ + 3 H + 此錯合物的結構如下, 常被稱為 ferroin N N 2+ Fe 3 K f = 2.5 10 6 at 25 C 此形成錯合物的定量實驗,pH 範圍是 3 至 9 ph = 3.5 時, 可以 避免鐵鹽形成磷酸化合物的沉澱, 所以是最常採用的酸鹼度 溶液中 加入過量的鹽酸羥胺當還原劑, 以維持 Fe 2+ 的狀態 B. 定量吸光測量分析定量吸光測量分析, 係基於吸收物質的量與光吸收量之間的關係 將樣品以外的所有試劑配成的溶液作空白 ( blank ) 試驗, 再測試樣品在溶液中的吸收值, 光譜儀上所顯示樣品 ( sample ) 測量值時, 表示已扣除空白試驗的吸收值, 為純樣品的吸收值 - 2 -
光譜儀中, 單色光通過厚度 db 的一層溶液時, 光量減低 dp 與光的強度 ( intensity ) p 樣品濃度 C 及液層厚度 db 成正比 dp = k p C db (k 為常數值 ) 將此一方程式重新排列, 並在 P 0 ( 入射光強度 ) 及 P ( 通過厚度為 b 的液層之光強度 ) 之間積分 P dp = k P0 p 0 b Cdb ln p p 0 = kbc p = p 0 e kbc abc p = p0 10 (a = log p p 0 = abc k ) 2.303 T = p p 0 ( T : 透過率 transmittance ) 1 log = T log T = abc abc A = abc ------- Beer s Law A:absorbance 吸收度 a:absorptivity 吸收活度 b:cell length 樣品槽寬度 C:concentration 體積莫耳濃度 - 3 -
吸收度測量所選擇的波長通常均為 λ max, 其理由有二 :(1) 在最大吸收波長下操作, 可得最大敏感度, 因一定濃度的溶液, 在此波長下, 可產生最強烈的信號 (2) 在最大吸收帶處 ( 除非最大吸收帶非常狹窄 ), 因波長的些微偏差而導致吸收度的改變最小, 故可減少誤差的產生 配製四種不同濃度的標準溶液 (standard solution), 在 λ max 測其吸收度 以吸收度 (A) 對濃度 (C) 作圖, 以最小平方線性迴歸 (least square regression method) 處理後, 得到最適合的直線, 稱為校正曲線 (calibration curve) Abs 0.6 Abs. vs. Conc. 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 y = 0.1935x + 0.0042 R 2 = 0.9999 0 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 Conc.(ppm) 同一物質的未知濃度以相同試劑配製後, 在此特定波長測量吸收度, 並且稀釋調整濃度使其吸收度儘可能符合 Beer 定律的範圍內, 亦即稀釋到待測稀釋液的吸收度在標準液所繪出的校正曲線內, 否則濃度太高,Beer 定律易導致偏差 稀釋後未知濃度的吸收值即為校正曲線 y = mx + b 的 y 值, 代入後求得 x 值再乘上稀釋倍數, 即為待測液的濃度 ppm 值 - 4 -
三 藥品 ( 均為助教配製, 依規定取各組所需毫升數 ) 1. 10 mg/l 標準鐵溶液 (Ferrous ammonium sulfate, Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 6H 2 O (aq) ): 精稱 0.0702 g Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 6H 2 O (S) 以 50 ml 去離子水溶解, 此去離子水內已含 2 ml 濃硫酸, 經由 玻璃漏斗倒入 1000 ml 體積量瓶, 以去離子水多次沖洗稱量瓶和 漏斗後, 集中洗液於體積量瓶中, 且繼續以去離子水稀釋到標線, 混合均勻, 每組取用 50 ml 2. 鹽酸羥胺 (Hydroxylamine hydrochloride, NH 2 OH-HCl (aq) ): 粗秤 10 g NH 2 OH-HCl (S) 溶解於 1 L 去離子水中, 每組取 10 ml 3. 1,10 二氮雜菲 (1,10-phenanthroline monohydrate, C 12 H 8 N 2 H 2 O): 粗秤 1 g C 12 H 8 N 2 H 2 O (S) 溶解在 1 L 的去離子水中, 每組取 50 ml 4. 1.2 M 醋酸鈉 (Sodium acetate, NaOAc 3H 2 O (aq) ): 粗秤 166 g NaOAc 3H 2 O 溶解在 1 L 的去離子水中, 每組取 50 ml 四 器材 1. 紫外光 - 可見光光譜儀 2. 樣品槽 ( cell ) 3. 血清型吸量管 :2 ml,5 ml,10 ml 4. 體積量瓶 :50 ml - 5 -
五 UV-visible spectrophotometer 操作步驟 本儀器需保持在通電狀態, 所以不需開關儀器本身電源! 1. BECKMAN ( 一 ) 開機 1. 開啟螢幕開關 2. 待自我測試 Diagnostic Test 完成後, 按 QUIT, 離開自我測試視窗 3. 依所使用的波長, 選擇光源系統 :190~350 nm UV;351~1100 nm VIS 按 VIS OFF 或按 UV OFF, 使光源開啟至 ON 4. 開機 30 分鐘後, 再進行測量 ( 二 ) 固定波長測量 1. 按 FIXED WAVELENGTH, 進入固定波長視窗 2. 按 Parameters, 設定預測量之波長 例如 : 設定波長 508 nm <1> 將 Use 下面第一欄改設為, 如原設定為 Yes, 將游標移至此, 按滑鼠左鍵一下, 即改為 No <2> 將游標移至 Wavelength 下面第一欄波長值, 按滑鼠左鍵一下, 待螢幕顯示數字鍵, 按 5 0 8 OK 3. 將空白樣品 ( Blank ) 放入樣品槽, 按 BLANK, 進行歸零 4. 將樣品 ( Sample ) 放入樣品槽, 按 Read Sample, 即可顯示所設定波長之吸光值 ( 三 ) 關機 1. 將游標移至 VIS ON 或 UV ON, 使光源關閉至 OFF 2. 關閉螢幕電源 - 6 -
2. Unico UV-2802 ( 一 ) 開機及暖機 : 1. 開啟儀器電源, 儀器將自動執行並完成自我測試作業 2. 此時儀器會自動暖機 (15mins), 若是重新開機即可 skip 3. 選擇需要 YES Calibration (2~3mins) 4. 待畫面顯示 SPECTRO-QUEST, 即可依據各種選項進入所要執行的功能 ( 二 ) 固定波長測量 : 1. 選項 1 Basic mode 光度計模式 2. 按 SETλ 鍵設定所要執行量測的波長, 直接於數字鍵盤上輸入波長後, 按下 ENTER, 系統將自動執行空白歸零 3. 先按 F1 Unit 鍵以及 上下左右 鍵更改濃度單位 ; 按 F2 Mode 鍵以及 上下左右 鍵更改顯示數值為穿透率或吸光度 圖 10-3 上下左右 鍵 4. 將裝好空白試劑 (Blank) 的液槽放入第一個位置, 按 0Abs/100%T 鍵校正空白歸零 5. 將空白試劑的液槽取出, 再將欲量測的樣品試劑之液槽置入, 此時畫面上所顯示出的數值即為該樣品的吸光度或穿透率 ( 三 ) 關機 : 1. 按 ESC/STOP 鍵跳回主畫面 2. 直接關閉電源即可 - 7 -
六 步驟 A 校正曲線 1. 以量筒吸取 50 ml 鐵標準液 ( 由助教提供 ) 2. 配製標準液 : (1) 標準液標號 <1>: 以吸量管吸取 5 ml 鐵的標準溶液放入 50 ml 體積量瓶, 加入 0.5 ml hydroxylamine 5 ml sodium acetate 和 5 ml orthophenanthroline 將此溶液靜置 5 分鐘, 以去離子水稀釋到標線且混合均勻 (2) 標準液標號 <2>: 以吸量管吸取 7.5 ml 鐵的標準溶液放入 50 ml 體積量瓶, 加入 0.5 ml hydroxylamine 5 ml sodium acetate 和 5 ml orthophenanthroline 將此溶液靜置 5 分鐘, 以去離子水稀釋到標線且混合均勻 (3) 標準液標號 <3>: 以吸量管吸取 10 ml 鐵的標準溶液放入 50 ml 體積量瓶, 加入 0.5 ml hydroxylamine 5 ml sodium acetate 和 5 ml orthophenanthroline 將此溶液靜置 5 分鐘, 以去離子水稀釋到標線且混合均勻 (4) 標準液標號 <4>: 以吸量管吸取 12.5 ml 鐵的標準溶液放入 50 ml 體積量瓶, 加入 0.5 ml hydroxylamine 5 ml sodium acetate 和 5 ml orthophenanthroline 將此溶液靜置 5 分鐘, 以去離子水稀釋到標線且混合均勻 - 8 -
3. 空白試液 : 在 50 ml 體積量瓶中加入 0.5 ml hydroxylamine 5 ml sodium acetate 和 5 ml orthophenanthroline 將此溶液靜置 5 分鐘, 以去離子水稀釋到標線且混合均勻 4. 洗淨 cell, 測量前以待測溶液沖洗 cell 三次 ( 由稀濃度開始測量 ), 依照紫外光 - 可見光光譜儀的操作指示 ( 設定波長為 508 nm ), 先放入空白試液測量 Blank 的吸收值, 再測量 Sample, 所得數值即為已扣除試劑吸收值的純樣品吸收值, 記錄此數值 每個試液皆測量三次, 取平均值 B 檢測水樣中鐵含量 1. 向助教領取 10 ml 的待測樣品 2. 同 Part A 步驟 3 ( 空白試液配法 ) 添加試液及測量吸收值 但此待測樣品需經稀釋, 直到吸收值在校正曲線的範圍內, 記錄稀釋方法 3. 利用 Least Square Regression Line 計算出稀釋後待測樣品的濃度, 再換算出原待測樣品濃度, 以 ppm 表示 - 9 -
七 實驗數據處理 A 校正曲線 原始鐵標準液濃度 :( 算式 ) = ppm 標準液編號 原液量 濃度計算式 濃度 (ppm) 吸收值 Ⅰ 吸收值 Ⅱ 吸收值 Ⅲ 平均吸收值 <1> 5 ml <2> 7.5 ml <3> 10 ml <4> 12.5 ml 吸收度 ( A ) 對濃度 ( C ) 作圖 ( Least-square regression line ) y = x + 貼圖區 - 10 -
B 檢測水樣中鐵含量 ( 待測樣品 10 ml) 1. 稀釋方法 ( 需詳述稀釋步驟及稀釋倍數 ): 2. 稀釋後吸收值 (Ⅰ) ;(Ⅱ) ;(Ⅲ) 平均值 : 3. 稀釋後濃度 : ppm 4. 原待測樣品濃度 : ppm C 技術試評分 : ( 由助教評定 ) 實驗值 理論值 : ppm : ppm 相對誤差 : = % - 11 -
八 實驗問題.. 1. 說明紫外線 可見光光譜儀中光源的選擇 2. 敘述 cell 的使用與清洗 3. 敘述分光光度計 ( UV-visible spectrophotometer ) 的操作過程 - 12 -
4. 敘述未知濃度樣品的稀釋過程與注意事項 九 實驗廢 ( 固 ) 液處理.. 十 實驗心得與討論.. 誤差討論.. 心得.. - 13 -
請寫出本學期分析實驗之心得感想 請寫出對於分析實驗的建議 - 14 -