Synopse přednášek z analytické chemie I. (LS2005/06)

Transkript

1 Synopse přednášek z analytické chemie I. (LS2005/06) 1. Analytická chemie, její funkce a aplikace Definice Analytical chemistry is a scientific discipline used to study the chemical composition, structure and behavior of matter. (Kealey, Haines) (volný překlad) - vědecká disciplina věnovaná studiu chemického složení, struktury a chování (vlastnostem) hmoty. Analytical chemistry is a scientific discipline that develops and applies methods, instruments and strategies to obtain information on the composition and nature of matter in space and time, as well as on the value of these measurements, i.e., their uncertainty, validation, and/or traceability to fundamental standards. (IUPAC) (volný překlad) - vědecká disciplina, která vyvíjí a aplikuje metody, instrumentaci a strategie pro získání informací o složení a podstatě hmoty v daném místě a čase, stejně jako se zabývá hodnotou (hodnověrností) těchto měření, tj. jejich nejistotou, validací a návazností na základní standardy. Analytical chemistry seeks ever improved means of measuring the chemical composition of natural and artificial materials. The techniques of this science are used to identify the substances which may be present in a material and to determine the exact amounts of the identified substances. Analytical chemists work to improve the reliability of existing techniques to meet the demands for better chemical measurements which arise constantly in our society. They adapt proven methodologies to new kinds of materials or to answer new questions about their composition. They carry out research to discover completely new principles of measurement and are at the forefront of the utilization of major discoveries such as lasers and microchip devices for practical purposes. They make important contributions to many other fields as diverse as forensic chemistry, archaeology, and space science. (American Chemical Society, Division of Analytical Chemistry) (volný překlad) - analytická chemie se stále snaží o vylepšení nástrojů pro měření chemického složení přírodních i umělých materiálů. Techniky této disciplíny jsou užívány k identifikaci látek, které mohou být přítomné v materiálu, a ke stanovení jejich přesných množství. Analytičtí chemici (analytici) pracují na vylepšení spolehlivosti existujících metod, tak aby vyhověly požadavkům společnosti na kvalitnější chemická měření. Dále pak upravují osvědčené metodologie na nové typy materiálů s cílem zodpovědět nové otázky, týkající se jejich složení. Provádějí výzkum zcela nových principů měření a jsou v popředí při využívání velkých objevů jako jsou lasery či mikročipy pro praktické účely. Celkově analytici přispívají k rozvoji mnoha jiných oborů v takové pestrosti jak naznačují aplikace ve forenzní chemii, archeologii či výzkumu vesmíru. viz logo Divize analytické chemie Americké chemické společnosti KLÍČOVÁ SLOVA složení, struktury, vlastnosti materiálu, identifikace, stanovení, měření CO? - KVALITATIVNÍ ANALÝZA DŮKAZ, IDENTIFIKACE KOLIK? - KVANTITATIVNÍ ANALÝZA - (semikvantitativní) - STANOVENÍ V JAKÉ FORMĚ? - STRUKTURNÍ ANALÝZA (chemická struktura analytu) - SPECIAČNÍ ANALÝZA zjištění a kvantifikace více forem analytu ve vzorku 1

2 VZOREK analyzovaný materiál (detaily později) ANALYT PRVEK, FORMA, SLOUČENINA PŘEDMĚT ANALÝZY MATRICE zbytek vzorku kromě analytu APLIKACE analytické chemie sledování kvality surovin, meziproduktů a výrobků - QC quality control o nejen chemický průmysl, ale i jiná průmyslová odvětví od výroby automobilů, přes textil, potraviny až ke spotřební elektronice (např. aktuální problém stanovení obsahu bromovaných látek, používaných ke snížení hořlavosti spotřební elektroniky) sledování toxických látek v životním a pracovním prostředí o těžké kovy, organické látky, výfukové plyny atd. o klinické studie analýza tělních tekutin sledování přírodních procesů biologické studie, geologie základní i aplikovaný výzkum o nové materiály, nová léčiva, kombinatoriální chemie velké počty látek pro identifikaci a popis struktury Analytický experiment princip - fyzikální a/nebo chemický základ např. absorpce fotonů, chemická reakce z toho se odvozují analytické techniky metoda (technika) - přístrojová technika poskytující analytické informace např. FTIR spektrometrie postup - použití metody pro konkrétní materiál např. stanovení ropných látek v pitné vodě návod - sled pokynů pro konkrétní realizaci postupu např. podniková norma, návod ve skriptech SOP - standardní operační postupy (Standard Operation Procedures) viz např. Analytické úkoly Výběr, vývoj a validace analytické metody pro získání žádaných, spolehlivých dat o analyzovaném materiálu. Řešené kroky: 1. zadání (definice) úkolu typ analytických informací, akceptovaná míra nejistoty výsledků, cena, časové nároky, nároky na laboratorní a přístrojové vybavení. 2. výběr metody a postupu 3. návrh vzorkování vzorkovací plán 4. úprava vzorku převedení vzorku na formu vhodnou k analýze 5. kvalitativní/kvantitativní analýza (včetně kalibrace) 6. výpočet výsledků včetně statistického vyhodnocení 7. příprava protokolu (certifikátu, zprávy) o analýze 8. porovnání výsledků se zadáním analýzy 2

3 Analytické metody (techniky) Metoda Měřená vlastnost Použití Gravimetrie Hmotnost čistého analytu či sloučeniny s definovanou Kvantitativní analýza hlavní a vedlejší makrosložky stechiometrií Odměrná analýza Objem odměrného roztoku Kvantitativní analýza hlavní a Atomová a molekulová spektrometrie Hmotnostní spektrometrie Chromatografie Elektrochemické metody Zářivý tok emitovaný či absorbovaný při dané vlnové délce Hmotnost vztažená na jednotkový náboj pro ion analytu či jeho fragmentové ionty Různé fyzikálně chemické vlastnosti analytů Elektrické vlastnosti analytů v roztoku Charakteristické ionizující záření emitované analytem vedlejší makrosložky Kvalitativní, kvantitativní a strukturní analýza od hlavních makrosložek až po mikrosložky Kvalitativní, kvantitativní a strukturní analýza od hlavních makrosložek až po mikrosložky Separace směsí - od hlavních makrosložek až po mikrosložky Kvalitativní a kvantitativní analýza od hlavních makrosložek až po mikrosložky Kvalitativní a kvantitativní analýza od hlavních makrosložek až po mikrosložky Radiochemická analýza Pozn. 1: Spojené techniky hyphenation propojení chromatografie se spektrometrickou detekcí Pozn. 2: Elektromigrační metody elektroforéza a izotachoforéza separace nabitých částic Analytické návody (postupy) sled pokynů pro konkrétní realizaci postupu od odběru vzorku až po zpracování naměřených dat přehled použitých chemikálií, laboratorního nádobí a přístrojů o čistota a zdroj chemikálií o výkonnostní a technické parametry přístrojů specifikace formy protokolu o analýze Spolehlivé analytické výsledky validace celého postupu, tj. všech kroků o test robustnosti odolnost vůči změnám experimentálních podmínek (např. vnější teplota, tlak, změna přístrojových parametrů) o výkonnostní charakteristiky detekčního systému rozsah použitelnosti průběh odezvy linearita? citlivost stabilita opakovatelnost o reprodukovatelnost - zkoušky ve více laboratořích Vzorkování a manipulace se vzorkem zkoušený materiál vzorkovaná jednotka celkový vzorek laboratorní vzorek testovací vzorek analytický vzorek reprezentativnost vzorku vzorkovací plán požadavky vycházející z obecně závazných předpisů (zákonná úprava, normy) Homogenní materiály x heterogenní materiály o Zmenšení objemu o Homogenizace pro informace o průměrném složení 3

4 o Selektivní vzorkování určitých částí materiálu volba odběrových míst (problém nerovnoměrné distribuce půda, vodní toky, sedimenty atp.) o Náhodná odběrová místa Kvartace Označení vzorků Obal vzorku ochrana před kontaminanty z okolí, rizika kontaminace z materiálu obalu Vhodné podmínky skladování o vzrůst teploty rizika ztráta těkavých látek, zvýšená reaktivita, riziko degradace materiálu obzvláště biologického o pokles teploty tvorba sraženin a depozitů z málo rozpustných složek, vymrazování, narušení fyzikálních vlastností materiálu o změny vlhkosti prostředí riziko pro hygroskopické materiály, indukce hydrolytických reakcí o světlo, UV záření fotochemické reakce, foto-rozklad o obsah kyslíku v atmosféře oxidační reakce, degradace, koroze - zvláštní režim stopová a ultrastopová analýza Úpravy vzorků o převedení do roztoku s rozkladem x bez rozkladu o zkoncentrování (předkoncentrování - prekoncentrace) analytu o sušení vzorků při proměnném obsahu vlhkosti o odstranění či potlačení složek matrice, které mohou působit interference o extrakce Kalibrace a standardy Kalibrace a) určení průběhu odezvy detekčního (měřicího) systému na známá množství (koncentrace) analytu za specifikovaných podmínek (nalezení vztahu mezi měřenou fyzikálně chemickou veličinou a množstvím (obsahem, koncentrací) analytu) viz b) srovnání naměřené hodnoty měřicím systémem s hodnotou referenční - nutná pro většinu analytických metod (výjimkou jsou definitní metody: gravimetrie, odměrná analýza, coulometrie a izotopové zřeďování) - nutno brát v potaz vliv matrice na měřený signál (simulace složení matrice při přípravě kalibračních standardů) Metody kalibrace kalibrační graf kalibrační křivka (kalibrační přímka) external standards sada kalibračních standardů připravena nezávisle z laboratorních chemikálií, provedení slepého pokusu blank metoda standardního přídavku (standardních přídavků) eliminace vlivu matrice (pokud možno malé objemy přídavku standardu, metoda je mnohem náročnější na množství práce, vhodná pro ověření vlivu matrice) metoda vnitřního standardu - do všech analyzovaných vzorků i kalibračních (validačních) roztoků je přidáno stejné množství vhodné čisté látky odlišné od analytu, možnost normalizace (kolísajícího) signálu (odezvy) na tento vnitřní standard některé spektrální metody, chromatografie 4

5 Chemický standard materiál či látka o velmi vysoké čistotě a známém složení. Užití - standardizace činidel, kalibrace přístrojů. Komerčně dostupné např. značené AnalaR. primární standardy primární etalony - Etalon, který je určen, nebo všeobecně považován za etalon s nejvyššími metrologickými vlastnostmi a jehož hodnota je uznávána bez navázání na jiné etalony téže veličiny. sekundární standardy pracovní standardy standardizované pomocí primárních standardů. Sekundární etalon - jeho hodnota je stanovena na základě porovnání s primárním etalonem téže veličiny. Referenční materiál materiál či látka, jejíž jedna nebo více hodnot vlastností je dostatečně homogenní a dobře stanovená, aby mohl(a) být použit(a) ke kalibraci přístroje, posouzení měřicí metody nebo k přiřazení hodnot (dalším) materiálům. (překlad anglického textu v knize souhlasí s Chem. Listy 99, (2005). Referenční materiály jsou materiály nebo látky přesně stanoveného složení nebo vlastností, používané zejména pro ověřování nebo kalibraci přístrojů, vyhodnocování měřicích metod a kvantitativní určování vlastností materiálů. citace ze zákona č. 119/2000 Sb. o metrologii. Certifikovaný (standardní) referenční materiál (CRM či SRM) referenční materiál doprovázený certifikátem, jeho jedna nebo více hodnot vlastností je certifikována postupem, který vytváří návaznost na správnou realizaci jednotky, v níž jsou hodnoty vlastností vyjádřeny, a jehož každá certifikovaná hodnota je doprovázena nejistotou při uvedené úrovni spolehlivosti. Dokumentace vydaná certifikační institucí (autoritou) (Úřad pro analytické standardy). CRM či SRM jsou dostupné v různých formách a pro různé účely. demonstrace přesnosti, správnosti a spolehlivosti a přenositelnosti analytických výsledků validace nových analytických postupů standardizace jiných referenčních materiálů nutné pro zabezpečení a řízení jakosti v analytických laboratořích Jakost v analytických laboratořích QC (quality control) řízení jakosti sled kontrolních činností (v analytické laboratoři) návaznost, přesnost, správnost, využití regulačních diagramů QA (quality assurance) zabezpečení (zabezpečování) jakosti kombinace plánovaných a systematických činností, zabezpečující, že řízení jakosti splňuje specifikované požadavky ČSN EN ISO 9000:2001 používá namísto pojmu zabezpečování jakosti pojem prokazování jakosti Akreditace akreditační systém zajištění standardů jakosti v jednotlivých laboratořích mezinárodní organizace OECD, ISO, CEN, specifické oborové požadavky např. farmaceutický průmysl 5

6 2. Rovnováhy v roztocích, ph Rozpouštědlo hlavní složka roztoku Rozpouštědla anorganická x organická důležité vlastnosti - bod varu, hustota, dielektrická konstanta polární x nepolární ( podobné se rozpouští dobře v podobném ) polární vysoká hodnota permitivity voda (78,6), methanol (33,6) ethanol (24,3), dimethylsulfoxid (48), nepolární hexan (1,9), benzene (2,3), diethylether (4,33) Rozpuštěná látka změněné chování oproti jejím jiným stavům (závislé na volbě rozpouštědla) (rozp. látka ovlivňuje však i chování rozpouštědla) plyn, kapalina, pevná látka solvatace molekuly rozpuštěné látky jsou obklopeny molekulami rozpouštědla reakce látek v roztocích disociace látek iontové povahy ionty v roztoku Rozpustnost množství látky, které lze rozpustit v rozpouštědle při dané teplotě a tlaku rozpustnost plynů Henryho zákon rozpustnost kapalin Raoultův zákon rozpustnost pevných látek px notace pro proměnné (především koncentrace) či rovnovážné konstanty (a konstanty z nich odvozené), jejichž hodnoty nabývají hodnot v rozmezí mnoha (dekadických) řádů px = -log(x), kde X je proměnná (mnohdy koncentrace sledované specie) či specifikovaná konstanta (rovnovážná, disociační, součin rozpustnosti atp.) Rovnováhy v roztocích rovnovážné a z nich odvozené konstanty - termodynamika rovnovážné aktivity, aktivitní koeficienty, rovnovážné koncentrace, problém aktivitních koeficientů u iontů. Disociace látek v roztocích - ionty v roztocích silné elektrolyty plně disociované slabé elektrolyty částečně disociované disociační konstanta vznik iontových párů koncentrované roztoky, solvatován celý iontový pár tvorba micel látky s polární (iontovou částí) a s nepolární částí molekuly povrchově aktivní látky, iontová část směřuje do polárního prostředí nekonečné zředění plně separované ionty rozpouštědlem, vzájemné interakce molekul rozpuštěné látky nehrají roli iontová atmosféra kompenzace náboje daného iontu ionty opačného náboje v jeho okolí (Coulombické interakce) - Debye-Hückelova teorie aproximativní, výpočet středního aktivitního koeficientu, souvislost s iontovou sílou (roztoku) o definice iontové síly I = 0,5 ( [A] z A 2 + [B] z B 2 + ) 6

7 Typy rovnováh resp. reakcí v roztocích (elektrolytů) acidobazické kyselina, báze přenos protonu konjugovaný pár otázka volby rozpouštědla a jeho protolytických vlastností (možnost autoprotolýzy?) aprotická vs. protická aprotogenní (příklad pyridin) amfiprotní vyrovnaná (voda), protofilní (aminy), protogenní (bezvodá kyselina octová) disociační konstanta (malá čísla uvádí se pk HA ) význam pro kvalitativní analýzu, acidobazické titrace, úpravu prostředí pro jiné typy titrací, gravimetrii, fotometrii, rozklady látek, separace polárních látek (extrakce, chromatografie), příklad kyselina octová ve vodě, amoniak ve vodě, pyridin ve vodě, kyselina chloristá v bezvodé kyselině octové komplexotvorné kov ( centrální atom, obecněji akceptor ligandu jednojaderný x vícejaderný komplex), ligand (vaznost ligandu), vícevazné ligandy - cyklické komplexy cheláty, náboj komplexů, zabarvení x bezbarvé konstanta stability dílčí a celková (stupňovitá tvorba komplexů), POZOR velká čísla, uvádí ve formě +log (příklad pro komplexy iontů kovů s EDTA - +logk(pby 2- ) = 18, +logk(biy - ) = 27,9) otázka vedlejších reakcí kovu (přesněji akceptoru ligandu) i ligandu, s tím související pojmy podmíněná koncentrace kovu a podmíněná koncentrace ligandu, mnohé ionty kovů tvoří akvakomplexy, u ligandů je třeba počítat např. s jejich protolytickými rovnováhami např. EDTA vícesytná kyselina, bipyridin slabá báze, atd.) příklady využití - kvalitativní analýza, titrace, gravimetrie, fotometrie (barevné vs. bezbarvé komplexy), separace, příklady např. aminkomplexy (různé počty ligandů v komplexu), komplexy iontů kovů s EDTA (tam vždy stechiometrie 1:1) srážecí málorozpustný produkt součin rozpustnosti (malá čísla) souvislost s rozpustností čistých látek, vliv přítomnosti vlastních iontů, vliv přítomnosti cizích iontů příklady využití kvalitativní analýza, srážecí titrace, gravimetrie, separace příklady AgCl, Ag 2 CrO 4, Ag 3 PO 4 porovnání hodnot pk s a rovnovážné koncentrace stříbrných iontů v roztoku (pk s (AgCl) = 9,75; pk s (Ag 2 CrO 4 ) = 11,95; pk s (Ag 3 PO 4 ) = 15,84 oxidačně redukční (redox) rovnováhy redukce, oxidace přenos elektronu zápis reakce a zápis poloreakcí pojem standardní elektrodový potenciál příklady využití kvalitativní analýza, rozklady, redox titrace, elektrochemické metody, příklad - systém Fe 2+ /Fe 3+ a Ce 3+ /Ce 4+ Pro výpočty - stechiometrie sepsat všechny dílčí reakce včetně rozpouštědla, zvážit celkové i dílčí (látkové) bilance, rovnovážné či z nich odvozené konstanty pro všechny zapsané reakce, podmínka elektroneutrality užitečná u iontových rovnováh pro doplnění počtu rovnic vzhledem k počtu neznámých 7

8 ph důležité pro všechny typy rovnováh v roztocích elektrolytů, nejen pro acidobazické rovnováhy Definice ph dánský biochemik Sorensen 1909, aktivita jednotlivého typu iontů je neměřitelná, proto praktická (pracovní) definice či spíš zavedení hodnoty (stupnice) ph (International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) a National Bureau of Standards (NBS) jako hodnoty odečtené pomocí ph-metru kalibrovaného pomocí standardních roztoků pufrů), tabelované roztoky, 7 roztoků podle IUPAC, viz Stupnice ph souvislost s autoprotolýzou vody typy prostředí - neutrální ph 7, nižší hodnoty ph kyselé prostředí otázka co znamená hodnota ph nula, minus jedna?, vyšší hodnoty ph alkalické prostředí (související poh), ph 14, 16? voda jaké má ph?, vliv rozpuštěného CO 2 Měření či odhad hodnoty ph odhad vizuální posouzení zabarvení indikátoru indikátorové papírky indikátory slabé kyseliny či báze konjugované formy mají odlišné zabarvení význam pro odměrnou analýzu, lakmusový papírek měření - ph-metr velmi rozšířená - skleněná elektroda (další elektrody viz potenciometrie) Nastavení a regulace ph (nutno znát výpočty ph) složení roztoku kyseliny, báze, amfolyty, stabilizace ph - tlumivé roztoky pufry příprava (např. kyselina a její sůl, lze připravit i částečnou neutralizací kyseliny), výpočet ph Henderson-Hasselbalchova rovnice, příklady praktických pufrů viz dále Význam nastavení a stabilizace ph - příklady fotometrie zajištění stability dané barevné formy analytu komplexometrické titrace stabilita komplexů závisí na ph vliv ph na fluoridovou elektrodu vliv ph na rozpustnost málorozpustnostných solí gravimetrie vliv ph na (chromatografické, extrakční) separace polárních látek Výpočty ph vycházejí ze stechiometrie, látkových bilancí, hodnot disociačních konstant a podmínky elektroneutrality, různá míra obtížnosti výpočtu podle typu protolytů, důležitá je volba akceptovatelných aproximativních vztahů silné protolyty - úplná disociace ph roztoku kyseliny HA c HA = mol.l -1? ph roztoku kyseliny HA c HA = mol.l -1? ph roztoku kyseliny HA c HA = mol.l -1? NEZAPOMÍNAT NA AUTOPROTOLÝZU VODY je třeba provést látkové bilance, zvážit zastoupení jednotlivých iontů, resp. použít podmínku elektroneutrality a zvážit zanedbání koncentrací některých iontů 8

9 slabé protolyty - částečná disociace korektní výpočet [H 3 O + ] - KUBICKÁ rovnice látková bilance, vztah pro disociační konstantu, iontový součin vody, podmínka elektroneutrality aproximativní výpočty o zanedbání [OH - ] vůči [A - ] (lze pokud koncentrace kyseliny je vyšší než cca 10-6 mol.l -1 ) kvadratická rovnice o zanedbání [A - ] vůči [HA] limitně nízký stupeň disociace pouze u koncentrovaných roztoků slabých kyselin (nutno posoudit vztah koncentrace kyseliny a hodnoty její disociační konstanty, resp. tzv. stupeň disociace) aproximace u vícesytných kyselin otázka řádových rozdílů mezi hodnotami disociačních konstant do jednotlivých stupňů výpočet 1. stupně + opravy (pozor, řada organických látek jsou vícesytné protolyty, např. u EDTA lze uvažovat až šest forem čtyři skupiny COOH a dva protonizovatelné atomy dusíku, odvození korektních vztahů pro výpočet ph je poměrně komplikované) soli slabých jednosytných kyselin a bazí příklady octan sodný, pyridinium chlorid (do bilancí a podmínky elektroneutrality je třeba započítat koncentraci příslušných protiontů, které se pak neúčastní protolytických rovnováh u příkladů sodné kationty, resp. chloridové anionty) pufry tlumivé roztoky Henderson-Hasselbalchova rovnice, tlumivá (pufrační) kapacita β amfolyty schopnost se chovat jako kyselina i jako báze 3. Odměrná analýza, vážková analýza Odměrná analýza - titrace Definice - měření objemu roztoku činidla (odměrného roztoku), které je potřebné ke stechiometrickému zreagování s analytem, tj. k dosažení BODU EKVIVALENCE Požadavky na průběh reakcí jednoznačný průběh kvantitativní průběh rychlý průběh dobře indikovatelná změna vlastnosti systému v oblasti bodu ekvivalence Odměrný roztok roztok titračního činidla je třeba znát jeho přesnou koncentraci tzv. TITR Základní látka umožňuje precizní určení koncentrace odměrného roztoku (stanovení titru) 9

10 Požadavky na základní látku snadno dostupná ve vysoké čistotě (nečistoty pod 0,1 %) stabilní během skladování (vůči vlhkosti, kyslíku, oxidu uhličitému, běžnému kolísání teploty) odpovídající chování během titrace - splnění požadavků na průběh titrace dobře rozpustná (obvykle ve vodě) co největší možná molární hmotnost (omezení vlivu nejistot při navažování) Bod ekvivalence a jeho indikace prakticky zjistíme KONEC TITRACE subjektivní pozorování VIZUÁLNÍ o barevné změny, změny luminiscence o INDIKÁTOROVÉ, BEZINDIKÁTOROVÉ Indikátory vnější a vnitřní, nízké koncentrace indikátoru, funkční oblast indikátoru a hodnota pt měření vlastnosti roztoku INSTRUMENTÁLNÍ o elektrochemické - potenciometrie, konduktometrie, amperometrie o optické - fotometrie, turbidimetrie, nefelometrie Titrační křivky - matematické či grafické vyjádření funkční závislosti veličiny sledované během titrace na objemu přidaného odměrného roztoku, nebo na VYTITROVANÉM PODÍLU STANOVOVANÉ SLOŽKY (X). Veličiny sledované během titrace - vztah k obsahu stanovované látky (X), činidla (T titrandu ) anebo produktu (P) titrační reakce dle typu veličiny různé typy titračních křivek fotometrie, konduktometrie, amperometrie (obvykle lineární větve) biamperometrie (složitější průběh) potenciometrie (obvykle sigmoidální křivky) - výhodné například při popisu průběhu ph při acidobazických titracích (viz princip měření ph) Přímé titrace titrace roztoku analytu odměrným roztokem Zpětné titrace - přídavek definovaného nadbytku odměrného roztoku, následně titrován přebytek odměrného roztoku (např. rozpuštění ve vodě málorozpustných uhličitanů v přebytku odměrného roztoku kyseliny a následné stanovení přebytku kyseliny odměrným roztokem louhu, či rozpuštění šťavelanu vápenatého v nadbytku chelatonu, nadbytek chelatonu stanoven odměrným roztokem Mg 2+ či Zn 2+, u chelatometrie pak i vytěsňovací titrace) Titrační automaty rychlé, vhodné pro komerční laboratoře Acidobazické titrace Obvyklá titrační křivka - závislost ph na vytitrovaném podílu prudká změna ph v oblasti bodu ekvivalence problém u velmi slabých protolytů, derivační výnos Odměrné roztoky - vždy buď silné kyseliny nebo silné báze o vhodné koncentraci Stanovení kyselin a zásad acidimetrie - stanovení celkové alkality, stanovení uhličitanů, stanovení dusíku Kjeldahl 10

11 o odměrné roztoky kyselin (HCl, H 2 SO 4 ) o příklad základní látky KHCO 3 alkalimetrie - stanovení kyseliny fosforečné a fosforečnanů, stanovení kyseliny borité (po přídavku glycerolu) o odměrné roztoky zásad NaOH, KOH prosté uhličitanů o příklad základních látek hydrogenftalan draselný, dihydrát kyseliny šťavelové indikace bodu ekvivalence (určení konce titrace) o acidobazické indikátory (fenolftalein, methyloranž, methylčerveň) o potenciometrie, konduktometrie Možnost titrací v nevodném prostředí stanovení velmi slabých protolytů, stanovení ve vodě málorozpustných protolytů prostředí bezvodá kyselina octová (odměrný roztok pak kyselina chloristá rozpuštěná v kyselině octové), bezvodý pyridin, aminy, alkoholy Komplexometrie Obvyklá titrační křivka - závislost pm na vytitrovaném podílu Tvorba komplexů postupná tvorba dílčí konstanty stability celková konstanta stability Chelatace stabilnější komplexy, pro komplexometrii žádoucí, aby (podmíněná) konstanta stability byla vyšší než 10 3, někde se uvádí 10 6 (i více). Stanovení především ionty kovů, které vytvářejí komplexy chelatometrie o odměrný roztok EDTA vystačíme se zápisem H 4 Y, činidlo Na 2 H 2 Y o základní látky PbCl 2, CaCO 3, thiokyanatan dipyridinozinečnatý o zásadní otázkou volba ph stabilita komplexů závisí na ph, volbou ph lze titrovat různé ionty kovů vedle sebe např. stanovení bismutu a olova, v alkalickém prostředí problém tvorby málorozpustných hydroxidů kovů (přídavek sekundárního komplexačního činidla pro udržení iontů v roztoku), otázka maskovacích činidel vytvářejících silné komplexy s daným kovem o indikace komplexometrické indikátory, tzv. metalochromní indikátory eriochromová čerň T (Mg 2+ ), xylenolová oranž (Bi 3+, Pb 2+ ), murexid (Cu 2+, Ni 2+, Ca 2+ ), tvorba slabších barevných komplexů s ionty kovů, stabilita i zabarvení těchto komplexů závisí na ph! potenciometrická indikace o stanovení iontů kovů ve vodě, v potravinách, v průmyslových vzorcích Redox titrace Oxidačně-redukční - redox potenciál Stanovení - kovy se dvěma dobře definovanými oxidačními stavy, stanovení oxidovatelných organických látek Oxidimetrie a reduktometrie o indikace redox indikátory odlišná barva Ox a Red formy, často ovšem jiná, ireverzibilní redox indikátory, využití barevnosti odměrného roztoku (manganometrie) atd. potenciometrická indikace 11

12 Manganometrie o odměrný roztok KMnO4 (0,002-0,1 mol.l -1 ) (fialový roztok) o v kyselém prostředí redukce na Mn 2+ o v neutrálním a slabě zásaditém na MnO 2 o základní látky - dihydrát kyseliny šťavelové, šťavelan sodný, oxid arsenitý, Mohrova sůl (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2.6H 2 O o stanovení železa, cínu, antimonu, arsenu, stanovení peroxidů, řada nepřímých stanovení založených finálně na oxidaci kyseliny šťavelové Jodometrie indikátor - škrobový maz s jodem modré zabarvení o redukce jodu na jodid, resp. oxidace jodidu na jod - VRATNÁ REAKCE o jod ve vodě málo rozpustný, lépe rozpustný v jodidu - trijodidový anion I 3 - o odměrný roztok - trijodidový anion I 3 - (0,01-0,1 mol.l -1 ) o základní látky - přesublimovaný jod, oxid arsenitý, thiosíran sodný (odměrný roztok) o stanovení stanovení siřičitanů, stanovení sulfidů, stanovení jodového čísla, stanovení vody metodou Fischerovou Srážecí titrace Součin rozpustnosti (viz výše) vliv společných iontů na rozpustnost, stechiometrické složení málorozpustných solí Argentometrie o odměrný roztok AgNO 3 o základní látka NaCl o stanovení halogenidů a pseudohalogenidů o Různé způsoby indikace Mohrova metoda - stanovení chloridů, - stanovení bromidů indikátor - chroman draselný, žlutý roztok, hnědo-červená sraženina Ag 2 CrO 4 Volhardova metoda - titrace Ag + thiokyanatanem v kyselém prostředí indikátor - roztok železité soli, bílá sraženina AgSCN, v bodě ekvivalence - červené zabarvení komplexu [Fe(SCN)] 2+ adsorpční indikátory (např. fluorescein) adsorpce na sraženinu v závislosti na jejím povrchovém náboji otázka přebytku Ag +, resp. Cl - potenciometrická indikace možnost stanovení chloridů a bromidů ve směsi Gravimetrie získání vážitelné stabilní látky se známým definovaným stechiometrickým složením, ze zvážení vážitelného produktu lze stanovit množství analytu dílčí kroky srážení, čištění sraženiny, sušení (vakuové sušení) či žíhání, vážení srážení zpracování analytického vzorku obvykle v roztoku (jeho úplné rozpuštění), kvantitativní vyloučení málorozpustné látky z roztoku získání vylučovací formy (otázka teploty roztoků při srážení, volba srážecího činidla, otázka vztahu hmotnosti finálního vážitelného produktu k hmotnosti analytu anorganická x organická srážedla, podmínky srážení míchání, koncentrace roztoků, rychlost přidávání srážedla, srážení z homogenního prostředí generování srážedla in situ ), zrání 12

13 sraženin otázka čistoty sraženin a jejich filtrovatelnosti, hrubé disperze vs. koloidní disperze čištění sraženiny promývání sraženiny, příp. znovu rozpuštění sraženiny a přesrážení (příčiny znečištění adsorpce, okluze, inkluze, indukované srážení, velký problém tvorba směsných krystalů) sušení (skleněná frita, porcelánový filtrační kelímek) či žíhání (včetně spálení papírového filtru) do konstantní hmotnosti odstranění rozpouštědla, případně převedení srážecí formy na vážitelnou formu (při žíhání) kvantitativní získání produktu s definovanou stechiometrií vážení získání hodnoty hmotnosti vážitelného produktu znalost hmotnosti použité nádobky např. kelímku používána jako referenční metoda vhodná pro stanovení makrosložek (např. analýza ocelí, minerálů, půdních vzorků) sledování procesů se změnou teploty termogravimetrie (viz dále) Vážení kritická může být teplota vzorku při vážení Příklady srážení kationtů kovů jako sulfidů sulfanem srážení kationtů kovů amoniakem, pyridinem atp. jako hydroxidů, hydratovaných oxidů použití ORGANICKÝCH činidel vyšší selektivita, velká molární hmotnost organické složky, 8-chinolinol Al 3+, diacetyldioxim Ni 2+ PŘÍMÁ NÁVAZNOST na SI - hmotnost- DEFINITNÍ METODA možnost validace nových analytických metod analýza standardů VYSOCE SPOLEHLIVÁ METODA při vyšších obsazích analytu (obvykle alespoň ~ 1 %) 4. Elektrochemické metody elektrochemické reakce reakce za účasti iontů (nabitých částic) v roztocích elektrochemický článek alespoň dvě elektrody definice elektrody zápis elektrochemického článku fázová rozhraní galvanický článek (baterie) samovolný děj bezproudý stav potenciometrie, proudová zátěž zdroj stejnosměrného napětí elektrolyzér probíhající chemická reakce vnucena vloženým napětím, článkem prochází proud voltametrie, amperometrie, coulometrie, elektrogravimetrie (elektrochemický) potenciál Nernstova rovnice měrné (indikační) elektrody, referentní elektrody, pomocné elektrody katody a anody - standardní vodíková elektroda primární reference srovnávací nulový bod konstrukce vodíkové elektrody praktické referentní elektrody (nasycená) kalomelová elektroda, (nasycená) argentchloridová elektroda 13

14 solný můstek, kapalinový potenciál pohyb částic v článcích migrace, difuse, konvekce Potenciometrie měření napětí (potenciálů) (za bezproudého stavu) elektromotorické napětí o kompenzační metoda o voltmetry s velkým vnitřním odporem procházející proud je zanedbatelný o dvě různé elektrody obvykle měrná a referentní měrná její potenciál závisí na koncentraci analytu referentní stabilní potenciál vztah potenciálu a koncentrace analytu (Nernstova rovnice) o elektrody 1. druhu kov a jeho ionty v roztoku potenciál závisí na koncentraci iontů v roztoku použitelné jako indikační příklad stříbro, ionty stříbrné jiný příklad měď, ionty měďnaté o elektrody 2. druhu kov, jeho málorozpustná sůl, anionty soli v roztoku odezva na koncentraci příslušných aniontů v roztoku, např. Ag, AgCl, KCl - pokud roztok KCl nasycený (plus krystaly KCl) pak stabilní potenciál stabilní koncentrace Cl -, uplatňuje se součin rozpustnosti (AgCl) nasycená argentchloridová a nasycená kalomelová typické praktické referentní elektrody o redoxní elektrody redox pár v roztoku, inertní kov (obvykle platina) jako elektrický kontakt příklad ionty železnaté a železité jiný příklad ionty cerité a ceričité o membránové vnitřní ref. elektroda, membrána, roztok analytu, vnější ref. elektroda příklad skleněná elektroda měření ph krystalické membránové elektrody krystal odezva na vybraný typ iontů - např. LaF 3 fluoridová elektroda kapalná membrána s polymerním nosičem (polymer např. PVC, smícháno s iontoměničem fixován v pórech polymeru) např. elektroda s odezvou na vápenaté ionty o ISFET iontově selektivní transistor řízený polem např. odezva na ph (není tak křehký jako skleněná elektroda) o Senzory plynů plyny, které při rozpouštění ve vodném prostředí mění hodnotu ph CO 2, NH 3 o Selektivita elektrod Nikolského-Eisenmannova rovnice koeficient selektivity přímá potenciometrie např. měření ph, či měření koncentrace fluoridů, nutná kalibrace měřidla pomocí roztoků o definovaném složení otázka selektivity, koncentračního průběhu odezvy pro studovaný analyt, otázka vlivu celkové iontové síly roztoku koncentrace vs. aktivita v koncentrovaných roztocích potenciometrické titrace potenciometrická indikace bodu ekvivalence 14

15 Voltametrie a amperometrie a příbuzné dynamické metody (článkem prochází proud) Voltametrie měření proudu v závislosti na vkládaném napětí (nastavitelné hodnoty v závislosti na čase) probíhá elektrolýza, rychlost (elektrodové) reakce je řízena difusí (elektroaktivní) látky, proud je úměrný koncentraci elektroaktivní látky - analytu elektrody pracovní (mikroelektroda), referentní a často též pomocná Důležité pojmy rozkladné napětí napětí nutné k tomu, aby začal protékat proud (pro výpočet Nernstovské potenciály plus přepětí na jednotlivých elektrodách) přepětí míra polarizace elektrod polarizace elektrod článkem protéká menší proud než odpovídá vloženému napětí (čím menší plocha elektrod, tím větší schopnost polarizace) o koncentrační limitním dějem transport látky k elektrodě o přenosová (aktivační) limitním dějem reakce přenosu náboje polarizační křivka závislost proudu na potenciálu depolarizátor elektroaktivní látka schopna oxidace či redukce na pracovní elektrodě o analyt musí být depolarizátorem rozpuštěn v roztoku základního elektrolytu zbaveném rozpuštěného vzdušného kyslíku riziko jeho redukce ve dvou krocích vlny by mohly překrýt odezvu od analytu o probíhající elektrodová reakce závisí na vloženém potenciálu redukce na katodě, oxidace na anodě kvantitativní průběh elektrolýzy množství vyloučené látky elektrogravimetrie přímo vážení elektrod před a po elektrolýze kvantitativní průběh elektrolýzy množství vyloučené látky úměrné prošlému náboji coulometrie Faradayovy zákony kvantitativní průběh elektrolýzy množství vytvořené látky v roztoku činidla pro titraci úměrné prošlému náboji coulometrické titrace Polarografické metody polarizovatelná elektroda běžně rtuťová kapková elektroda Klasická elektroda odkapávající rtuťová kapka pravidelně narůstající a odkapávající kapky rtuti z ústí kapiláry (obvykle díky gravitační síle, příp. působícím tlakem) o stále se obnovující povrch, malá plocha povrchu kapky, nedochází k akumulaci analytu, resp. produktu elektrolýzy o pro rtuť je extrémně vysoká hodnota přepětí vodíku, takže nedochází snadno k jeho redukci lze tak sledovat redukci řady látek o lineárně (rovnoměrně) v čase narůstající vkládané napětí o polarografická křivka vlny jednotlivých depolarizátorů inflexní bod půlvlnový potenciál, plateau výška vlny limitní difusní proud limitující je difuse analytu k elektrodě (koncentrační gradient mezi oblastí u povrchu elektrody a roztokem) Jiné elektrody statická, visící rtuťová kapka, pevné mikroelektrody (platina, skelný uhlík), rotující diskové elektrody. 15

16 Jiné režimy závislosti vloženého napětí na čase pulzní techniky např. diferenční pulzní. Rozpouštěcí voltametrie anodická, katodická anodická měření stopových množství depolarizátorů deponovaných (zakoncentrovaných) na povrchu vhodné elektrody o 1. krok depozice analytu na elektrodě např. na visící kapce (vznik amalgamy) o 2. krok anodické rozpouštění deponovaného analytu obvykle kovu katodická tvorba málo rozpustných solí na povrchu vhodné elektrody Využití kvalitativní i kvantitativní analýza pro elektroaktivní látky (depolarizátory) charakteristická hodnota půlvlnového potenciálu charakteristická výška vlny (příp. píku) anorganické i organické analyty vodné i nevodné prostředí Amperometrie měření limitního difusního proudu (v závislosti na čase) průtočné systémy proudící kapaliny např. kapalinová chromatografie, senzory či biosenzory (v tenké vrstvě. wall-jet uspořádání) Clarkův senzor stanovení kyslíku v kapalinách i plynech voltametrický princip Amperometrické titrace měření limitního difusního proudu během přidávání odměrného činidla k roztoku analytu varianty depolarizátorem je analyt, depolarizátorem je odměrné činidlo, depolarizátorem je produkt titrační reakce Konduktometrie vodivé roztoky elektrolytů, (taveniny iontových sloučenin) měření vodivosti, zabránit polarizaci elektrod použit střídavý proud o Pohyb iontů v elektrickém poli Gradient potenciálu potenciálový spád φ / b Náboj iontu Efektivní velikost iontu v roztoku Viskosita rozpouštědla Pohyblivost iontů Ohmův zákon - φ = R I, vodivost převrácená hodnota odporu R = 1/G = (ρ b) / A φ / b = ρ I / A γ = 1/ρ je měrná vodivost Čím větší počet iontů, tím větší vodivost vztah celkové vodivosti i měrné vodivosti ke koncentraci měření vodivosti konduktometrická cela plocha elektrod (A), jejich vzájemná vzdálenost b, inertní Pt elektrody, možnost průtočného uspořádání konduktometrický detektor o Vliv teploty na vodivost 16

17 o Molární vodivost měrná vodivost vydělená aktuální koncentrací, stále závisí na koncentraci vyjadřuje se pak molární vodivost při nekonečném zředění pak platí Kohlrauschův zákon o nezávislé migraci iontů Pro silné elektrolyty Onsagerova rovnice závislost molární vodivosti na koncentraci Pro slabé elektrolyty otázka neúplné disociace Ostwaldův zřeďovací vztah ze závislosti molární vodivosti na koncentraci (zředění) určení hodnoty disociační konstanty o Přímá konduktometrie neselektivní metoda kontrola kvality deionizované či destilované vody kontrola kvality technologické vody, pitné či mořské stanovení některých fyzikálně-chemických konstant detekce v některých separačních metodách (iontová chromatografie, kapilární elektroforéza) o Konduktometrické titrace Změna vodivosti během titrace roztoků obsahujících ionty Neutralizační titrace H + + OH - = H 2 O Pokles vodivosti před bodem ekvivalence, nárůst za B.E. Srážecí titrace Titrace v nevodném polárním prostředí fenoly v kapalném amoniaku, titrace amoniakálním roztokem KOH 5. Separační metody Základní princip: rozdělení vícesložkového vzorku do více podílů ( 2) odlišného složení, ideálně: 1 podíl = 1 složka. Frakcionační kapacita: max. počet složek, který lze rozdělit v jedné operaci od dvou (extrakce) do několika set (plynová chromatografie) Přehled metod distribuce mezi dvě fáze: využívají se rozdíly v rozpustnosti, bodu varu nebo tání, velikosti a tvaru složek a (fyzi)sorpce nebo chemisorpce složek plyn-kapalina plyn-tuhá fáze kapalina-kapalina kapalina-tuhá fáze destilace sublimace extrakce srážení pěnové dělení molekulová síta kapalinová rozdělovací frakční krystalizace chromatografie plynová rozdělovací chromatografie plynová adsorpční chromatografie gelová permeační chromatografie kapalinová adsorpční chromatografie iontoměničová chromatografie zonální tavení molekulová síta 17

18 dělení na základě různé migrace složek migrace přes polopropustnou membránu ultrafiltrace reverzní osmóza dialýza elektrodialýza migrace v silovém poli elektroforéza termodifuze ultracentrifugace hmotnostní spektrometrie Extrakce Princip: selektivní přechod složky mezi dvěmi nemísitelnými kapalinami (většinou přechod z vodné do organické fáze) nebo kapalnou a tuhou fází (využívají se oba směry přechodu) Důvody provádění: izolace složky (analytu) od matrice vzorku nebo rušivých složek pro další stanovení (např. extrakce tuků ze vzorku potravin, extrakce komplexů kovů pro následné fotometrické stanovení), zkoncentrování složek (extrakce drahých kovů pro AAS stanovení), odstranění interferujících složek (extrakce komplexů těžkých kovů při chelatometrickém stanovení Ca a Mg). Základní vztahy (řada z nich je společná i pro chromatografii): Distribuční (rozdělovací) koeficient poměr rovnovážných koncentrací (lépe aktivit) extrahované specie (např. dithizonátu olova) v obou fázích K = [ S] [ S] Distribuční (rozdělovací) poměr poměr celkových koncentrací extrahované složky (např. olova) v obou fázích D = ( C S ) ( C ), pro kvantitativní jednostupňovou extrakci - org S aq D>10 4. Účinnost extrakce (procentický podíl vyextrahovaného množství složky): E = 100 D ( D + V aqua V org.). Účinnost extrakce lze zvýšit jejím opakováním: zbytková koncentrace ve vodné fázi po n c ( A) c( A) V D V + V. aqua, n = aqua aqua ( org. krocích je: ( ) n Vzájemné oddělování různých složek: nutné rozdílné hodnoty D, separační faktor (faktor selektivity) β = D D A >104. B Extrakce pevná látka kapalina: Soxhletův aparát diskontinuální násobná extrakce, rozpouštědlo se regeneruje destilací. Extrakce superkritickou tekutinou (SFE): plyn stlačený vysoko nad kritický tlak při teplotě nízko nad kritickou teplotou (často CO 2, směs CO 2 + methanol), uspořádání: kontinuální extrakce, výhody: extrakční schopnost lze ovlivňovat tlakem (u skutečné kapaliny je konstantní), extrakce je rychlá, činidlo lze snadno odstranit odpařením. Extrakce kapalina kapalina: dávkové uspořádání-dělící nálevka. Extrakce slabých kyselin a zásad do polárních rozpouštědel: extrahuje se pouze elektroneutrální částice distribuční poměr je ovlivněn hodnotou ph, např.: pro kyselinu HA + platí D = K D (1 + K HA[H ]). Volbou ph lze dělit různé kyseliny či zásady. Extrakce kovů: samotné ionty kovů se neextrahují: nutno převést na elektroneutrální částice. Elektroneutrální komplex - činidla např. diethyldithiokarbamát sodný (kupral), 8- hydroxychinolin (oxin), dithizon. Ligandy jsou většinou slabé kyseliny (HL): extrakce je ovlivněna hodnotou ph: M n+ + nhl MR n + nh +. Asociát iontu kovu nebo iontového komplexu s vhodným protiontem (kladně nebo záporně nabitý, hydrofóbní charakter zaručí vysokou rozpustnost asociátu v organické fázi). Vhodné protiionty: oxoniové ionty aqua D org aq 18

19 kyslíkatých látek (ketony, ethery, estery, alkoholy), používají se přímo jako extrahovadla (př.: [(C 2 H 5 ) 2 O] 3 H + FeCl 4 ); organické dusíkaté báze, estery kys. fosforečné apod. Maskování: převedení rušícího kovu na neextrahovatelnou formu. Extrakce na tuhou fázi (SPE): většinou z vodného prostředí, slouží k přečišťování vzorků. Sorbenty a interakce se složkou: podobné jako v kapalinové chromatografii, větší zrnitost. Polární sorbenty: SiO 2, Al 2 O 3, florisil adsorpce, případně H-vazby izolace polárních látek. Chemicky modifikovaný silikagel: uhlovodíky nepolární sorbent, nitrilové skupiny nebo primární aminy mírně polární sorbent, sulfoskupiny nebo terc. aminy iontově výměnný sorbent. Uspořádání: často pro jednorázové použití cartridge podobné injekčním stříkačkám, disky, naplněné špičky k pneumatickým dávkovačům (tips). Možná automatizace deskové uspořádání kontejnerů s SPE (well plates) ve spojení s dávkovačem vzorků. Mikroextrakce na tuhou fázi (SPME): tenká vrstva sorbentu na křemenném vlákně umístěném v injekční mikrostříkačce. Sorpce z kapalného nebo plynného prostředí, po sorpci se vlákno aplikuje přímo do vstupního systému chromatografu. Průběh SPE: kondiciování sorbentu, nanesení vzorku a retence složek, promytí, eluce. Chromatografie - úvod Základní princip: dělení mezi dvě fáze mobilní (pohyblivou) (m.f.) a stacionární (nepohyblivou) (s.f.) Historie Michail Semjovič Cvět 1903 dělení rostlinných barviv (χροµα - barva, γραφειν - psát) na sloupci mleté křídy. Dělení podle skupenství stacionární fáze: podle uložení stacionární fáze: kolonová (sloupcová), chromatografie na tenké vrstvě (planární) fáze mobilní fáze stacionární technika symbol Plyn (plynová chromatografie) Kapalina (kapalinová chromatografie) Tekutina v nadkritickém stavu kapalina na nosiči plynová rozdělovací chromatografie GLC tuhá látka plynová adsorpční chromatografie GSC kapalina (polymer) vázaná kapalinová rozdělovací chromatografie LLC na nosiči kapalina v pórech sorbentu gelová permeační chromatografie GPC (SEC) tuhá látka kapalinová adsorpční chromatografie LSC iontová chromatografie IEC kapalina (polymer) vázaná chromatografie s mobilní fází v nadkritickém SFC na nosiči stavu Průběh chromatografického dělení: dnes výhradně eluční uspořádání a) malý objem vzorku (směs složek) se nastříkne do proudu m.f.; b) složky se váží na s.f. ustaví se rovnováha mezi složkami v m.f a s.f.; c) m.f. je unášena dál, rovnováha se poruší a složky se uvolní z s.f. do m.f.; proces b c se neustále opakuje a pohyb složek kolonou se oproti m.f. zpožďuje. Složky vázané pevněji na s.f. jsou zadržovány (retardovány) déle dojde k rozdělení složek podle stupně jejich interakce se s.f. Následuje detekce složek. Protože se zóny jednotlivých složek během své cesty kolonou rozšiřují (viz dále), záznam má tvar píků. 19

20 Základní mechanismy retence (podrobnosti viz dále u příslušných typů chromatografie): fyzikální sorpce nebo chemisorpce na pevném povrchu, rozdělení mezi dvě kapaliny na základě různé rozpustnosti, iontová výměna (heterogenní iontová rovnováha), průnik molekul do pórů gelu (dělení na základě velikosti molekul). Důležité veličiny: Distribuční (rozdělovací ) poměr poměr koncentrací dělené složky v s.f a m.f.: D = ( C ) ( C ) ; A A S A M Retenční faktor (kapacitní poměr) poměr látkových množství k ) A = (n A ) S (n A M, jeli k A =0, složka není vůbec zadržována a pohybuje se stejnou rychlostí jako m.f., je-li k A >20, složka je zadržována nadměrně a nehodí se pro praktickou analýzu; separační poměr dvou složek viz výše. Profil chromatografických píků. Ideální tvar symetrický: Gaussova křivka 2 2 c = c exp ( t ) σ ; parametr polohy t R retenční čas (čas od nástřiku vzorku ( ) max t R 2 t k vrcholu píku); parametr rozšíření σ - polovina šířky píku v inflexním bodě nebo Y šířka píku u základny píku; parametr velikosti: c max - výška píku (pozor: pro kvantifikaci analýzy se častěji určuje plocha píku A). Jiná stupnice: retenční objemy: V R = t R F (F průtok mobilní fáze). Důležitý parametr: mrtvý retenční čas t M (případně mrtvý retenční objem V M ) retenční čas látky, která není v koloně vůbec zadržována (pozor: k retenčním veličinám nutno přidat další index označující patřičnou složku). Obvykle se retenční veličiny vztahují ' k mrtvým redukovaný retenční čas složky A: t R,A = t R,A t M (obdobně redukovaný retenční ' objem V R,A ). Vztah k distribučnímu poměru a retenčnímu faktoru: V = D V = V. k A VR, A M R, A A S ; Odchylky od Gaussova profilu: pík vytváří chvost nebo frontu způsobeno nelineárním průběhem adsorpční izotermy (závislosti koncentrace složky v s.f. a m.f.) Rozlišení píků: píky dvou složek se mohou překrývat, stupeň překryvu je kvantifikován pomocí rozlišení: R = ( t t ) ( Y + ) - rozdíl retenčních časů (nebo objemů) i, j 2 R, j R,i t, j Yt, i dělený průměrnou šířkou píků při základně. Dostačující rozlišení: R 1,5. 2 Separační schopnost kolony: počet teoretických pater ( ) ( ) 2 2 počet efektivních pater ( ) ( ) 2 ef R, A t 16 R, A t n = t σ = t Y ; R, A t 16 R, A t n = t σ = t Y. Parametr nezávislý na délce kolony: výška patra (výškový ekvivalent teoretického patra HETP): H = L/n (L délka kolony). (Pozor, jak hodnoty n, tak H odlišné pro různé dělené složky na téže koloně.) Rozšíření píků: způsobeno nedostatečným ustanovením rovnováhy při chromatografickém dělení. V ideálním případě: rovnováha mezi s.f a m.f. se ustanovuje okamžitě, H 0, úzké píky. Van Deemterův model aditivní model: výška patra se odhadne jako součet několika nezávislých příspěvků. Vířivá difuze v mobilní fázi: mezi částicemi s. f. jsou kanálky o různém průřezu, m.f. proudí různou rychlostí zóna složky se proto rozšiřuje. Příspěvek určený pouze distribucí velikostí částic s.f. a jejich tvarem, nezávislý na rychlosti proudění m.f. 20

21 Molekulová difuze v mobilní fázi: zóna složky je obklopena z obou stran čistou m.f. koncentrační gradient způsobí difuzi. Příspěvek je přímo úměrný velikosti difuzního koeficientu složky v m. f. (kapalné m. f. - nízké) a nepřímo úměrný rychlosti proudění m. f. Odpor proti přenosu hmoty ve stacionární fázi: v případě rozdělovací chromatografie molekuly složky pronikají do různé hloubky s. f. a při zpětné desorpci jsou různě dlouho zadržovány, příspěvek je ovlivněn tloušťkou vrstvy s. f. a velikostí difuzního koeficientu složky v s. f., v případě adsorpční chromatografie hraje roli čas potřebný k sorpci a desorpci, v obou případech je příspěvek přímo úměrný rychlosti proudění m. f. Odpor proti přenosu hmoty v mobilní fázi: kapalina proudící kanálky mezi částicemi s. f. má v důsledku viskozity nižší rychlost v blízkosti stěny kanálku než uprostřed. Molekuly složky se proto pohybují různou rychlostí. Tento jev je částečně kompenzován difuzí molekul složky kolmo na směr proudění. Příspěvek je přímo úměrný rychlosti proudění m. f. 6. Chromatografie úvod, pokračování Kvalitativní analýza: klasický přístup - založen na porovnání retenčních dat s analýzou čistých standardů složek, analýzu třeba provést na dvou kolonách s různou polaritou s.f. Problematika stlačitelnosti nosného plynu v GC viz dále. Jiné možnosti: UV a fluorescenční detektor porovnání příslušného spektra s knihovnou spekter standardů; MS detektor porovnání s knihovnou MS spekter nebo v případě velmi přesných přístrojů kombinatorické určení sumárního vzorce z hmotnosti molekulového píku. Kvantitativní analýza: založena na porovnání ploch píků vzorku. Vnitřní normalizace poměrné složení směsi složek odpovídá poměrům ploch jejich píků, není třeba standard, nutná stejná citlivost pro všechny složky. Vnější standard nutné další analýzy jednoho nebo více standardů, vyhodnocení pomocí kalibrační křivky. Standardní přídavek principy viz přednáška kalibrace. Vnitřní standard ke vzorku se přidá složka v něm původně neobsažená, obsah složky se vypočte z poměru ploch píků složky a vnitřního standardu, stačí jedna analýza, nutná stejná citlivost detektoru pro všechny složky. Chromatografie na tenké vrstvě (TLC) S.f. je nanesena v tenké vrstvě na desce (sklo, Al, plast), v nejjednodušším případě se použije pouze papír (papírová chromatografie). Rychlá a laciná forma kapalinové chromatografie, výhoda oproti kolonovému uspořádání: lze detekovat i velmi zadržované složky. Průběh separace: vzorek se v podobě skvrny nanese blízko okraje desky (start), okraj desky se ponoří do m.f. ve vyvíjecím tanku, m.f. vzlíná kapilárními silami a unáší složky vzorku. Nejdále doputuje m.f. (čelo) - vzdálenost od startu d), vzdálenosti složek d A ; retardační faktor: R = d d = 1 (1 ). Detekce skvrn složek vybarvení (vyvolání): neselektiví F, A A + k (H 2 SO 4, I 2 ), selektivní (ninhydrin aminoskupiny apod.); UV lampa (fluorescenční barvivo je již zabudováno v s.f. nebo se nanese); složky značené radioizotopy. 21