Siyanür tayini için yeni bir spektrofotometrik yöntem
A new spectrophotometric method for determination of cyanide
Yazar: GÜLÇİN GÜMÜŞ
Danışman: DOÇ. DR. BİRSEN DEMİRATA ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Doktora, 2001
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Siyanür = Cyanide ; Spektrofotometrik tayin = Spectrophotometric determination ; Tiyosiyanat = Thiocyanate

Özet:
SİYANÜR TAYİNİ İÇİN YENİ BİR SPEKTROFOTOMETRIK YÖNTEM ÖZET Serbest veya metal kompleksi halinde bulunan siyanür, elektrolitik kaplama, metal parlatma, çelik, petrol, kimya ve maden işletmelerinden çevreye yayılabilir. Zehirli olması ve endüstride geniş kullanım alanına sahip olmasından dolayı düşük derişimlerdeki siyanür tayini önemlidir. Kuvvetli zehir etkisinden dolayı çevre koruma otoriteleri (ANZECC) tatlı sularda ve deniz suyundaki maksimum bulunabilme sınırını 5 ug/L olarak vermişlerdir. Bu yüzden çevre sağlığı açısından sudaki siyanürü saptamak oldukça önemlidir ve tayini önemli bir analitik problemdir. Düşük konsantrasyonlardaki siyanür tayini için kromatografik, elektro analitik, fluorometrik, atomik absorbsiyon spektrofotometre ile ve spektrofotometrik birçok metot geliştirilmiştir. Bu aletlerle çalışıldığında yüksek maliyet, uzun analiz zamanı ve düşük seçicilik problemleri ile karşılaşılır. Bu çalışmanın amacı siyanür tayini için basit bir indirek spektrofotometrik yöntem geliştirmektir. Metot siyanürün klorla (CI2) oksidasyonunu ve artan klorun o- tolidin (3,3-dimetil benzidin) ile renk reaksiyonunu temel alır. Metodun tüm reaksiyonları araştırılmadan önce klorür ve o-tolidin arasındaki reaksiyon incelendi, o-tolidin reaktifı kullanılarak CI2 un maksimum absorpsiyon dalga boyu 437 nm olarak belirlendi. Bu dalga boyunda, 0-4,0xl0"5 M derişim aralığındaki Cl2un kalibrasyon eğrisi aşağıdaki eşitliği vermiştir: A437 = -0,0595 + 5,87xl04 Cc12 (r = 0.9998) CV 2CI" nin standart potansiyeli (E° =1,36 V), CN07 CN" nin bazik ortamda ki standart potansiyelinden (E° = 0,97 V) daha büyüktür. Bu durum, termodinamik olarak klorürün siyanürü siyanata okside edebileceğini gösterir. 3,8xl0"5 M sabit CI2 içeren çözeltilerde siyanür için çizilen kalibrasyon eğrisi aşağıdaki denklemi vermiştir: A437 = 2,27 - 5,866xl04 CCN- (r - -0.997) Bu eşitlik 3,86x10"" M siyanür derişimi için 437 nm deki ölçülen absorbans değerinin sıfıra eşit olacağını ve aşağıdaki reaksiyona göre 1 mol CI2' un 1 mol CN" ile reaksiyona girdiğini gösterir. CN" + CI2 + 20H" -* CNO" + 2C1" + H20Cİ2-o-tolidin metodu için hesaplanan molar absorptivitenin (s=5,87xl04) siyanür için değişmediği, sadece A437 değerleri ile CN" derişimleri arasında çizilen eğrinin eğiminin negatif olduğu görüldü. Redoks reaksiyonun siyanata dönüşme aşamasından daha ileriye gitmediği belirlendi. 4,0x1 0"5 M Cl2 çözeltisinin o-tolidin ile 437 nm'deki absorbansı 2,0xl0"5 M CN" ile yarıya düşerken, 2,0xl0"5 M CNO" ile değişmedi. Farklı Cl2 başlangıç derişimleri için A437 ye karşı çizilen Ccn- nin eğrilerinin eğimleri eşit bulundu. Aynı şekilde, farklı başlangıç deri simlerinde siyanür kullanılarak çizilen eğrilerin eğimi eşit ve daha önceki eğrilerin eğimlerinin mutlak değeri ile aynı bulunmuştur. Bu incelemeler geliştirilen metodun molar absorptivitesinin her iki bileşenin (CI2 veya CN") başlangıç derişimlerine bağlı olmadığını göstermiştir. 4,0x1 0"5 M CI2 + 2,0x1 0"5 M CN" karışımının absorbansının 5 dakika sonra dengeye gelmesi, CI2 ve CN" arasındaki redoks reaksiyonunun oldukça hızlı olduğunu göstermiştir. Redoks reaksiyonu üzerine pH'ın etkisi araştırıldı ve en uygun değer olarak pH 11 seçildi. Daha sonraki o-tolidin reaktifi ile renk oluşum reaksiyonu asidik ortamda pH 1,6 dadır. 13 umol CN"'ün tavsiye edilen metotla analizi üzerine reaksiyonu bozabilecek iyonların etkisi araştırıldı. Siyanat anyonu spektroquant metodunu da içine alan bir çok siyanür tayin metodunda bozucu etki gösterirken, analiz sonucu geliştirilen metodun CNO" için yüksek toleransa (yani, 1300 ug) sahip olduğu görüldü. Kursun iyonlarının önemli bozucu etkisi görülmediği için, sülfür (S "), Pb(II) ile PbS halinde çöktürülerek uzaklaştırıldı ve siyanürle aynı oranda sülfür içeren bir karışımda çöktürme reaktifi olarak Pb(II) kullanılmasıyla siyanür iyonu %99 geri kazanılmıştır. San-renkli Fe(III) tuzlarının yüksek derişimleri Cİ2-o-tolidin kompleksinin absorbans ölçümü sırasında analize zarar verebilir, bu yüzden yüksek derişimlerde ki demir(III) iyonları pirofosfat ile maskelenmelidir. Bozucu iyon olan tiyosiyanat(SCN") melamin-formaldehit içeren bir kolon kullanılarak analiz ortamından uzaklaştırılmıştır. Bu metot ucuz ve birçok uygulama için pratiktir. Tiyosiyanat iyonu aynı zamanda Spektroquant metodu içinde ciddi bir interferenttir. Geliştirilen metot, standart 1,3-dimetil barbiturik asit-piridin metodu (Merck spektroquant 14800) ile kıyaslandı. Aşağıdaki eşitliğe göre null hipotezi uygulandı ve t değeri, %95 güven aralığı için verilen 2,10 kritik değerinden daha küçük bir değer olan 1,75 bulundu. X i - X2 = ±ts [(Nı + N2)/N!N2]1/2 Sonuç olarak, iki metot % 95 güvenilirlik seviyesinde önemli bir fark olmaksızın kıyaslanabilir kesinliktedir. Geliştirilen yöntem ve standart metot % 80 acı badem alkolası olan gerçek bir örneğe uygulandı. On adet analizin ortalama değeri 2,01 mg/L bulundu. Bu değer standart metotla bulunan 1,97 mg/L değeriyle kıyaslanabilir kesinliktedir. Gerçek örneğin her iki metot ile bulunan analiz sonuçlarına t- ve F-testleri uygulandı.Geliştirilen metotta sistematik hata olmadığı ve standart (Spektroquant) metotla benzer doğrulukta olduğu görüldü. Tiyosiyanat iyonu siyanür iyonu ile birlikte bulunabilen oldukça interfere bir maddedir, bu iki iyon birçok gerçek örnekte birlikte bulunabilir. Bu yüzden bu iki iyon için basit ve güvenli bir metot geliştirmek çevre analitik kimyanın önemli bir problemidir. Bu çalışmanın ikinci kısmında, CN" ve SCN" nin melamin-formaldehit reçinesi içeren kolonda yeni bir ayırma metodu önerilmiş ve kolonda ayrılan tiyosiyanat ve siyanür sırasıyla demir tuzu ve klorür-o-tolidin (tavsiye edilen metot) kullanılarak spektrofotometrik olarak tayin edilmiştir. Ayrıca tiyosiyanattan ayrılan siyanür iyonları standart 1,3-dimetil barbiturik asit-piridin metodu ile de tayin edilmiştir. pH 9'da, siyanür iyonları reçine yüksekliği 20 cm'e kadar arttırıldığında ve akış hızı 3 mL/dak ya düşürüldüğünde bile kolonda tutulmadığı görülmüştür. SCN" iyonu, kolonda tutulan ve 0,4 M NaOH ile elue edilen aynı miktardaki SCN" ile 480 nm de aynı absorbans değerini verdi. Düşük pH'larda CN"-SCN~ karışımlarında, HCN gazı oluşabileceği için (pKhcn=9,21), çalışma pH'sı olarak pH 9 seçildi. Sonuç olarak, 5,0x1 0"3 M CN' ve 2,0x1 0"2 M SCN" içeren bir çözeltide pH 9'da 20 cm reçine yüksekliğindeki bir kolonda, optimal akış hızı 7 mL/dak ve 20 milimol NaOH eluasyon çözeltisi kullanılarak %100 ayırma sağlandı. Sonuç olarak çalışmanın birinci kısmında siyanür tayini için basit, etkin ve bozucu iyonları tolere edebilen bir metot geliştirilmiştir. Geliştirilen metot Spektroquant (barbiturik asit-piridin) metodundan daha az zahmetlidir ve siyanata (CNO") daha fazla tolerans gösterir. Çalışmanın ikinci kısmında, birçok analizde bozucu iyon olarak davranan, tiyosiyanat iyonu pH 9'da melamin-formaldehit reçine kolonunda ayrılarak uzaklaştırıldı ve analiz edildi. Metodun molar absorptivitesi 5,87xl04 Lmol^cm"1 dir ve 4,0xl0"5 M CN"' e kadar Beer kanununa uyar. Geliştirilen metotta sistematik hata olmadığı ve Spektroquant metoduna benzer doğrulukta olduğu görüldü. 25 mL çözeltideki 13ug CN''ün analizi için bulunan rölatif standart sapma (%0,12) bu metodun yüksek tekrarlanabilirliğini gösterir.

Abstract:
A NEW SPECTROPHOTOMETRY METHOD FOR DETERMINATION OF CYANIDE SUMMARY Cyanide, either free or in metal-complexed form, may enter the environment from various activities such as electroplating, metal polishing, steel, petroleum and chemical industries, and mining operations. The high toxicity of cyanide and its widespread industrial applications make it necessary to determine it at low concentration levels. The essential toxic effect of cyanide in humans arises from its complexing ability of iron(III) in the respiratory enzyme cytochrome oxidase. Due to its acute toxicity, environmental protection authorities, e.g., ANZECC, issue guidelines allowing a maximum concentration of 5,0 ug/L of cyanide in fresh and marine water for protection of aquatic eco-systems. It is, therefore, very important to monitor aqueous cyanide for environmental health management, and cyanide determination in water is an important analytical problem. Many methods have been reported for the determination of cyanide in water at the low concentration range, e.g., chromatography, electroanalysis, fluorimetry, atomic absorption spectrometry and spectrophotometry. Problems encountered with these devices include high cost, lengthy analysis time and poor selectivity. The aim of this work was to develop a simple indirect spectrophotometric method for determination of cyanide. The method is based on the oxidation of cyanide with chlorine (CI2) and the residual chlorine is determined by the color reactions with o- tolidine (3, 3 -dimethyl benzidine). Prior to the investigation of such method all reaction between chlorine and o-tolidine was investigated. The maximum absorbance for CI2 using the o-tolidine reagent is obtained at 437 nm. At this wavelength, the calibration curve for CI2 (without CN") gives the following equation for the CI2 concentration between 0 and 4,0xl0~5 M : A437 = -0,0595 + 5,87xl04 CCi2 (r = 0,9998) The standard potentials of Cl2 / 2C1" couple is 1,36V, higher than that of CN07CN" couple in basic medium (i.e., E° = 0,97 V), showing that chlorine can oxidize cyanide to cyanate with a thermodynamically favourable redox reaction. The calibration curve obtained for cyanide-using a fixed CI2 concentration of 3,8x1 0"5M is : A437 = 2,27 - 5,87xl04 CCN" (r = - 0,997)This last equation indicated that the concentration of cyanide should be 3,86xl0"5 M in order to have an absorbance value equal to zero at 437 nm. This result showed that the reaction stoichiometry was 1 : 1 as shown in the following; CN~ + Cl2 + 20HT > CNO- + 2 Cl~ + H20 Thus, the molar absorptivity of the Cİ2-o-tolidine method (s = 5,87xl04) would not change for CN", the only difference being the negative slope obtained when the A437 values are recorded against CN" concentrations. The redox reaction would not go beyond the reaction step of the cyanate (CNO) ion, as the A437 of 4,0xl0'5 M CI2 solution (with o-tolidine) was halved with 2,0x1 0"5 M CN', but remained the same with CNO" of 2,0xl0"5 M. It was observed that the slope of the A437 versus Ccn" curves were equal for the different initial concentrations of CI2. In case of CN" ion the slope of the curves were also equal, and identical in absolute value with that of the former curves. These observations confirmed that the molar absorptivity of the developed method is not dependent on the initial concentrations of either component (CI2 or CN"). The absorbance of 4,0xl0"5 M CI2 + 2,0xl0"5 M CN" mixtures were stabilized after 5 min, showing that the redox reaction between CI2 and CN" is sufficiently rapid. The effect of pH on the redox reaction was investigated at the pH value of 1 1 which was the optimal value. The subsequent color development with the o-tolidine reagent is in acidic medium of pH 1,6. The effects of possible interferent ions for the analysis of 13 umol CN" by the recommended method were also investigated. The result of interference analysis showed that the developed method had a high tolerance for CNO" (i.e., 1300 ug), which is the common interferent in most spectrophotometric methods including the conventional Spectroquant method. Since Pb(II) did not exhibit significant interference, sulfide (S2) was precipitated by Pb(II) as PbS, and an equimolar mixture of CN" and S2" yielded 99% cyanide recovery. High levels of yellow- colored Fe(III) salts may interfere with the yellow Cİ2-o-tolidine complex during absorbance measurement, therefore such high concentrations of ferric ions should be masked with pyrophosphate. The interfering thiocyanate (SCN"), was proposed to be separated using a melamine-formaldehyde resin column that provides easy and inexpensive treatment. Thiocyanate is also a serious interferent in the conventional Spectroquant procedure. The proposed method was compared with standart 1,3 -dimethyl barbituric acid- pyridine method which is the conventional method of Merck spectroquant 14800. The Null hypothesis was applied according to the following equation, and t value was found to be 1,75 that was less than the critical value of 2,10 for the 95% confidence interval. Xi- X2 = ±t.spooled.[(N,+N2)/N1N2] 1/2As a result, the two population means are of comparable precision so that means of the two method did not differ significantly at the 95% confidence level. The proposed and standard method was applied to a real sample that was the alcoholic extract of bitter almond in the concentration of 80%. The mean value of ten analysis was 2,01 mg/L being in comparable precision to that of barbituric acid method of which result was 1,97 mg/L. The T- and F- tests applied to the analysis of the real sample by both methods showed that the developed method is free from systematic errors, and is of similar precision to that of the standard (Spectroquant) method. Thiocyanate ion is an troublesome interfering substance and always accompany with cyanide ion, and besides, these two ions can be found in many 'real world' samples. Therefore to develop a simple and safe method for these two co-existed ions is an important problem in the environmental analytical chemistry. The second part of the present study consisted of the result of a newly proposed method in which CN" and SCN" ions tried to be separated on a column containing melamine-formaldehyde resin, and then the cyanide and thiocyanate were determined individually by above given recommended method and ferric method respectively. Cyanide was also determined by the standard method as the main interferent, thiocyanate, was separated prior to analysis. Although the height of the resin bed increased up to 20 cm and feed rate of influent was dropped down to 3 mL/min., cyanide ion did not retain in the column(pH 9). The SCN" yielded the same absorbans value at 480 nm with the same amount of SCN" ion retained in the column of which was eluted by NaOH of 0,4 M from the column quantitatively. Due to the CN' and SCN" mixture generate toxic HCN gas at the smaller pH values, the optimum pH value was maintained at pH value of 9 (pKhcn= 9,21). As a result, uptake efficiency of 100% was achieved with the height of resin bed of 20 cm at pH value of 9 and the optimum feed rate of 7 mL/min, and with the NaOH of 20 milimole as eluting solution for the mixture containing CN" of 5,OxlO"3 M and SCN" of 2,0xl0"2 M. As a consequence, In first part of present work a method of reproducible, simple, effective and tolerating of interferents was proposed for the CN" ion. The given method was considered less laborious than the conventional spectroquant method and much tolerant to CNO' ion as well. In the second part, a method was given for separating the common interferent, SCN", on the column containing melamin- formaldehyde resin at the pH value of 9. The molar absorptivity of the method was determined as 5,87xl04 Lmol^cm"1 and up to the CN" concentration of 4,0x10 5M, calibration curve obeyed the Beer's law. The method was free from systematic errors, and had a similar precision to that of the conventional one. The relative standard deviation of the analysis (0,12%) for the CN' solution of 13ug in 25 mL"1 exhibited the high repeatability in case of the proposed method.