Инверсионная вольтамперометрия.
Определение катионов тяжелых металлов в питьевой воде
Цель работы: освоение техники проведения инверсионно-вольтамперометрического анализа и обработки экспериментальных данных на компьютеризованном вольтамперометрическом анализаторе «Экотест-ВА».
Введение
Лабораторная работа выполняется на современном приборе – вольтамперометрическом анализаторе «Экотест-ВА». Установка состоит из электрохимической ячейки, измерительного преобразователя (ИП) и IBM-совместимого персонального компьютера с установленным пакетом программного обеспечения, с помощью которого осуществляется управление процессом анализа, обработка и хранение данных.
Определение тяжелых металлов – цинка, кадмия и свинца – выполняется с рабочим углеситалловым электродом методом переменнотоковой инверсионной вольтамперометрии. Для анализа сильно загрязненных образцов воды и пищевых продуктов необходима предварительная минерализация проб. Анализ модельных растворов и питьевой воды такой пробоподготовки, как правило, не требует, но при низкой концентрации тяжелых металлов в пробе рекомендуется концентрирование раствора.
Экспериментальная часть
Оборудование и посуда: анализатор вольтамперометрический «Экотест-ВА»; компьютер; электрохимическая ячейка; рабочий углеситалловый электрод, хлорсеребряный электрод сравнения, вспомогательный платиновый электрод; магнитная мешалка; фарфоровые чашки.
Реактивы: стандартные растворы солей цинка, кадмия и свинца – по 10 мкг/мл в пересчете на соответствующий катион; раствор HCl 1 М; фоновый электролит (в 1 л р-ра: 50 мл 1 М НСl, 10 мл 0,01 М Hg(NO3)2); концентрированная HNO3.
Внимание! Для приготовления растворов и ополаскивания посуды вместо дистиллированной воды используется бидистиллированная!
Подготовка установки к работе:
1. Перед работой корпус ИП необходимо заземлить.
2. Поверхность рабочего углеситаллового электрода очистите ватой, смоченной спиртом, и ополосните бидистиллятом.
3. Подключите подготовленные к работе электроды к соответствующим разъемам на передней панели ИП: рабочий углеситалловый, хлорсеребряный электрод сравнения и вспомогательный платиновый. Закрепите электроды в штативе и опустите в ячейку с 25 мл фонового электролита и якорьком магнитной мешалки.
4. К разъемам на задней панели ИП подключите мешалку (разъем «УПР»), блок питания и соединительный кабель для подключения к СОМ-порту компьютера.
5. Включите ИП тумблером «Сеть», при этом на передней панели загорится индикаторный светодиод.
6. Включите компьютер и запустите программу: «n_va2010». Появится главное окно управления (рис. 2).
Рис. 2. Главное окно управления программы «n_va2010».
7. Активируйте связь с ИП, нажав кнопку «Window» на панели управления анализатором. При правильном выборе и подключении СОМ-порта светодиод на передней панели ИП будет «моргать» несколько секунд, а в программе появится индикация установившейся связи с прибором (рядом с кнопкой «R – сброс ВА»). При отсутствии информационного обмена между ИП и ПК на экране монитора появится сообщение об ошибке.
8. Создайте и сохраните новую базу данных: во вкладке «База данных» выберите пункт «Новая». Появятся три окна: «Параметры развертки», «Вычисление» и «График». Во вкладке «База данных» также выберите и нажмите на пункт «Запоминать изменения».
Выполнение измерений:
1. В окне «Параметры развертки» (рис. 3) установите следующие значения:
Очистка: 0 мВ, 60 с.
Подготовка 1 и подготовка 2: 0 с.
Накопление: –1300 мВ, 60 с.
Мешалка: активна, время успокоения раствора – 10. Скорость вращения мешалки выставляется поворотом ручки на ее корпусе.
Диапазон тока: 2мА/200 мкА.
Развертка: скорость – 50 мВ/с, начало: –1300 мВ, конец: –200 мВ.
Схема соединения: 3х электродная.
Тип измерения: Фон.
Модуляция: активна, 30 мВ/25Гц (амплитуда переменного напряжения).
Комментарий: Zn Cd Pb
В последующих экспериментах необходимо менять «Тип измерения» и «Комментарий».
Рис. 3. Окно «Параметры развертки»
2. В окне «Вычисление» (рис. 4) проверьте, какие определяемые элементы отображаются (должны быть Zn, Cd, Pb). В случае несоответствия удалите (Ó) и/ или добавьте (Å) необходимый элемент в верхней строчке окна.
Рис. 4. Окно «Вычисление».
3. В окне «График» (рис. 5) установите масштаб по оси Х от -1300 до -200, по оси Y от 30 до 200.
4. Задайте число повторов (2 – 3) в главном окне управления анализатором (рядом с «R») и нажмите «Старт». Начнется измерение – очистка рабочей поверхности электрода, накопление, развертка потенциала. По окончании измерений прозвучит звуковой сигнал, и в окне «График» появятся вольтамперограммы для фонового раствора. Условия измерений аналогичны для всех опытов.
Рис. 5. Окно «График».
Обработка вольтамперограмм:
1. Для вычисления площадей (высот) пиков элементов в окне «График» для выделенной вольтамперограммы нажмите «Установить границы» ( 
). Внизу окна «График» появится соответствующий инструмент. Для каждого определяемого катиона необходимо выбрать начало и конец пика, как показано на рис. 6.
Рис. 6. Установка границ пиков металлов на вольтамперограмме.
После выбора границ необходимо нажать кнопку «Запомнить и выйти».
2. В таблице «Вычисление» будет отображаться результат: площади пиков соответствующих элементов или высоты (переключение между ними – кнопками «S» или «Н»).
3. При работе с сохраненной ранее базой данных необходимо выбрать пункт «Чтение из базы». Появится окно со всеми записями (рис. 7). Для проведения вычислений площадей (высот) пиков выбираем нужную запись и, кликнув на нее правой кнопкой мыши, выбираем «Добавить в таблицу». Добавленную вольтамперограмму можно обрабатывать.
Рис. 7. Окно «База данных».
Ход работы
Опыт 1. Определение цинка, кадмия и свинца в модельном растворе
1. Получите вольтамперограммы фонового раствора (3 – 4 раза).
2. Приготовьте раствор с известными концентрациями катионов цинка, кадмия и свинца – по 0,1 – 0,2 мкг/мл. Для этого в мерную колбу на 25,0 мл поместите с помощью мерных градуированных пипеток рассчитанные объемы исходных стандартных растворов солей металлов, доведите раствор до метки фоновым электролитом.
3. Поместите приготовленный раствор в чистую сухую ячейку и проведите измерения. Повторить запись вольтамперограммы 2-3 раза.
4. Не извлекая электроды из раствора, внесите в ячейку мерной пипеткой добавки стандартных растворов солей металлов. Объем вводимой добавки надо подобрать так, чтобы концентрации катионов металлов в результате ввода добавки возросли примерно вдвое.
5. Последовательно получите несколько вольтамперограмм раствора с добавкой.
6. Введите в раствор новую добавку (такие же объемы стандартных растворов солей металлов, как в случае первой добавки по п. 4) и повторите измерения.
Обработка результатов
Проведите вычисление площадей пиков по всем полученным вольтамперограммам, рассчитайте концентрации катионов металлов в модельной смеси и сопоставьте с действительными значениями.
Опыт 2. Анализ питьевой воды на содержание цинка, кадмия и свинца
1. Пробу подготовленного к испытанию образца воды объемом 100 мл поместите в выпарительную фарфоровую чашку, добавьте 1-2 мл концентрированной азотной кислоты. Содержимое чашки выпарите до «влажных солей». Параллельно в другой чашке подготовьте таким же образом «холостую» пробу, используя вместо пробы бидистиллированную воду.
2. После обработки азотной кислотой в чашку добавьте 1 мл 1 М HCl и 5 мл фонового электролита. Полученный раствор количественно перенесите в мерную колбу на 25,0 мл, чашку ополосните несколько раз небольшими порциями фонового электролита. Доведите раствор до метки фоновым электролитом.
3. Получите вольтамперограммы «холостой» пробы и пробы воды. В зависимости от того, пики каких катионов имеются на вольтамперограмме анализируемой воды, введите добавки стандартных растворов соответствующих солей и получите вольтамперограммы пробы с добавкой.
Обработка результатов
Проведите обработку данных, рассчитайте концентрации цинка, кадмия и свинца в анализируемой воде. При необходимости учтите «холостую» пробу. Рассчитайте концентрацию каждого катиона в исходной пробе воды и сравните с ПДК для питьевой воды: ПДК (Zn2+) = 5,0 мг/л; ПДК (Cd2+) = 0,001 мг/л; ПДК (Pb2+) = 0,03 мг/л
Дополнительная литература
1. МВИ 001-91-00. Методика выполнения измерений массовой концентрации двухвалентных ионов меди, свинца, кадмия и цинка методом в пищевых продуктах и сырье методом инверсионной вольтамперометрии на вольтамперометрическом анализаторе «Экотест-ВА».–М., 2000.
2. ПНД Ф 14.1:2:4.69-96. Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов кадмия, свинца, меди и цинка в питьевых, природных, морских и очищенных сточных водах методом инверсионной вольтамперометрии.
3. СанПиН 2.1.4.1074-01. «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». – М., 2002.