Literatura doporučená ke studiu

Transkript

1 Literatura doporučená ke studiu D. Harvey: Modern analytical chemistry, McGraw Hill, 2000 F. Opekar, I. Jelínek, P. Rychlovský, Z. Plzák: Základní analytická chemie, Praha 2007, Karolinum J. Tyson: What analytical chemists do?, Royal Society of Chemistry, 1997, Cambridge P. Klouda: Moderní analytické, nakladatelství Klouda, Ostrava 2003 H. Moravcová: Analytická chemie, Klasické metody I, Ostrava, 1999

2 Analytická chemie 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 definice CO ANALYTICKÝ CHEMIK DĚLÁ?

3 určování chemického složení vzorku určování obsahu jednotlivých složek vzorku Analytický chemik v průmyslu: obebírání vzorků a sledování kvality vstupních surovin kontrola meziproduktů výroby kontrola kvality výrobků sledování a posouzení vlivu výroby na ŽP apod. Analytický chemik v nemocnici: analýza tělních tekutin napomáhá stanovit přesnou diagnózu a Analytický chemik kriminalista: kontrolovat léčbu identifikace složení skvrn, stop identifikace vraha pomocí DNA identifikace a stanovení látek pro důkazní řízení dopingová a drogová kontrola Analytický chemik v životním prostředí

4 Každá chemická analýza musí být vyhodnocena a vysloveny závěry plynoucí ze získaných výsledků! KVALITATIVNÍ ANALÝZA zjišťování přítomnosti látek CO? KVANTITATIVNÍ ANALÝZA zjišťování množství (obsahuj) látek KOLIK ČEHO? ANALYT látka, která nás ve vzorku zajímá, tj. látka jejíž přítomnost nebo množství zjišťujeme. VZOREK část analyzovaného materiálu, vybraná tak aby svým složením a vlastnostmi reprezentovala analyzovaný materiál jako celek. Vlaštovičník větší kořen = vzorek berberin = analyt

5 Důkaz postup vedoucí ke zjištění přítomnosti analytu ve vzorku. Zásadní význam při analýze anorganických látek (např. důkaz iontů). V organické analýze se důkazem myslí důkaz přítomnosti konkrétního prvku a funkčních skupin (např. důkaz karboxylové skupiny) Důkaz =...a nyní se podíváme zda je přítomen Al Identifikace postup vedoucí ke zjištění přítomnosti molekul (chemických individuí) ve vzorku (indentifikace kyseliny fenoxychloroctové). Charakterizace - suma informací získaných kvalitativní a kvantitativní analýzou společně s informacemi popisujícími dalšími vlastnostmi vzorku (např. distribuce analytu ve vzorku = KDE?, v jaké formě se analyt ve vzorku nachází např. Fe 2+, Fe 3+ ). V některých případech je možné provést hrubý odhad množství analytu ve vzorku = SEMIKVANTITATIVNÍ ANALÝZA

6 CHEMICKÁ ANALÝZA DESTRUKTIVNÍ většina využívaných analytických technik (např. gravimetrie, atomová absorpční spektrometrie, UV-Vis spektrofotometrie) NEDESTRUKTIVNÍ vzorek je možné opakovaně analyzovat a nedochází k jeho úbytku, či fyzikálně chemickým změnám (rentgenová strukturní analýza, NMR, IR spektrometrie) METODY CHEMICKÉ ANALÝZY SUBJEKTIVNÍ analýza na základě vlastního smyslového pozorování a) zápach, barva, lesk, struktura, chuť b) místo, kde se vzorek nachází a jeho okolí, druh pracovních činností v okolí odebraného vzorku c) využití smyslů jiného organismu posouzení zněčištění povrchových vod s pomocí akvarijních ryb OBJEKTIVNÍ pro analýzu se využívají buď chemické reakce, nebo určité fyzikálněchemické vlastnosti analytu, která se mění s přítomností a koncentrací analytu

7 Objektivní metody nejčastěji využívané metody chemické analýzy. V případě, že jsou využívány přístroje pro měření fyzikálně chemických veličin (např. ph) jde o INSTRUMENTÁLNÍ METODY CHEMICKÉ ANALÝZY Instrumentální Subjektivní

8 Klasifikace analytických metod podle velikosti vzorku Množství vzorku k analýze Očekávané množství analytu ve vzorku 1. Uhlí vzorek je k dispozici v tunovém množství můžeme využít MAKROANALYTICKÉ metody 2. Obsah buňky vzorek je k dispozici v mikro-, či nanogramovém množství Musíme využít ULTRAMIKROANALYTICKÉ METODY

9 Rozdělení analytických metod dle velikosti analyzovaného vzorku (dle navažovaného množství) MAKROANALÝZA - minimálně desetiny gramu SEMIMIKROANALÝZA - řádově desítky miligramů MIKROANALÝZA - řádově desetiny miligramu a miligramy ULTRAMIKROANALÝZA - pod desetinou miligramu až nanogramům Množství analytu může být ve vzorku rovněž na různých koncentračních úrovních HLAVNÍ MAKROSLOŽKY - majoritní - nad 1 % VEDLEJŠÍ MAKROSLOŽKY - minoritní - nad 0,01 % MIKROSLOŽKY - stopové - pod 0,01 % Tyto parametry rozhodují o volbě analytické metody

10 OBECNÝ POSTUP CHEMICKÉ ANALÝZY 1. Definování problému (co v čem budeme a jak analyzovat, ale také proč) 2. Odběr vzorku 3. Úprava vzorku před analýzou 4. Přečištění, extrakce, koncentrační kroky, separační kroky tzv. clean-up vzorku 5. Vlastní měření 6. Vyhodnocení výsledků, statistické zhodnocení 7. Závěr chemické analýzy, návrh činností vyplívající ze získaných dat. Tento postup je důležitý jak pro analytického chemika, tak i pro zadavatele analýzy. Zadání: 1. uděláte mi analýzu pytlíkové polévky? ŠPATNĚ 2. kolik glutamátu je v tomto sáčku polévky? DOBŘE VŽDY MUSÍT BÝT JASNÁ FORMULACE ÚLOHY, TJ. CO JE PŘESNĚ POTŘEBA UDĚLAT.

11 Odběr vzorku - vzorkování -První operace prováděná se vzorkem - Špatný odběr vzorku = špatný výsledek analýzy - Obvykle se odběr vzork řídí příslušnými normami Vzorkovaný materiál se odebírá ručně - automaticky Musí být splněny následující kritéria: vzorek musí být representativní vzorek musí být před analýzou uchován tak, aby se jeho složení neměnilo množství odebíraného vzorku se řídí obsahem analytu, použitou analytickou technikou a heterogenitou materiálu při vzorkování látek s časově proměnmým složením musí být zvolená vhodná vzorkovací frekvence (monitorování hladiny léčiv a metabolitů v krvi) o vzorku musí být vedena přesná dokumentace (zaznamenat čas, datum, způsob odběru, teplotu, tlak, počasí )

12 Vzorkování látek o různém skupenství 1. Vzorkování tuhých látek častá heterogenita (různě velké kusy, nerovnoměrné rozložení analytů např. rozinek ve studentské pečeti) Čím je vzorkovaný materiál heterogennější, tím větší množství se odebírá (až 2 % z celkového množtví vzorkovaného materiálu). Vzorkovací jehly pro sypké materiály vrtání, pilování, stříhání

13 Odebraný materiál se postupně drtí, mele a jeho množství se změnšuje KVARTACÍ Kvartací je vzorek změnšen až na hmotnost několika gramů. Takový vzorek je dál využíván pro chemickou analýzu.

14 V případě stopových analýz polutantů je nutné vytvořit vzrokovací plán a vybrat náhodné místa, ze kterých bude odebrán vzorek.

15 2. Vzorkování kapalin -Téměř nejsou problémy s heterogenitou vzorku - problémy se stálosti vzorku (nutné provést analýzu ihned po odběru, případně vzorek konzervovat). Vzorkovací pumpička Vzorkovací sonda

16 3. Vzorkování plynů -Problém se stálostí vzorků - vzorkovaný materiál zpravidla nevidíme - nutnost odběru do speciálních odběrových nádob umožňující vytvořit tlakový spád Evakuované nádoby x čerpadla Pasivní vzorkování bez využití čerpadla, vhodné pro odběr konečného objemu plynu a pro analýzu makrosložek Aktivní vzorkování s využitím čerpadla. Plyn prochází určitou dobu odběrovým zařízením v němž se analyt sorbuje v absorpčním médiu nebo na vhodném sorbentu. Je možné analyt zakoncentrovat z libovolného objemu vzorku.

17 Úprava vzorků před analýzou Nedestruktivní metody nevyžadují téměř žádnou úpravu vzorků Destruktivní metody před analýzou je vzorek obvykle převeden do kapalné podoby (roztok). Mechanické úpravy drcení, mletí, roztírání Nebezpečí změn složení vzorku v průběhu mechanické úpravy

18 Rozpouštění a rozklad vzroku Zkusit vzorek rozpustit ve vodě studené, teplé, za varu. K převodu vzorku do roztoku dojde v podstatě beze změny chemického složení Vzorek nelze rozpustit ve vodě? Vzorek nebo jeho část se rozpouští s využitím různých chemických činidel. Rozklad působením silných anorganických kyselin Ve skleněných kádinkách přikrytých hodinovým sklem za normální či zvýšené teploty.

19 Mikrovlnné rozkladné zařízení Např. 1 g tvrdého sýra s pomocí 6 ml HNO 3 během 15 min Při tlaku 45 atm. Moucha 5 minut v 1 ml H 2 O 2

20 Rozklad tavením Pokud se vzorek nepovede rozpustit v kyselinách, rozkládá se tavením na snadno rozpustitelnou sloučeninu taveninu. Tavenina se pak rozpouští ve vodě nebo v kyselinách. Tavení probíhá v kelímku porcelán, platina, nikl, křemen apod. s tavidlem v poměru 1:10 při teplotách řádově stovky C. Tavení může být alkalické, kyselé nebo s oxido-redukčními účinky.

21 Mineralizace vzorku Metoda se využívá k destrukci organické matrice a k převodu analytu na jednoduché anorganické sloučeniny (petrochemické, biologické, potravinářské vzorky, vzorky ŽP). - Působení kyselin či jejich směsí na vzorek za zvýšené teploty a tlaku (mineralizace na mokré cestě) - Minaralizace na suché cestě (pyrolýza) zahřívání vzorku na vysokou teplotu až C v kyslíkové (oxidační) nebo vodíkové (redukční) atmosféře, často za přítomnosti katalyzátorů. Prvky vázané v organických sloučeninách přecházejí na jednoduché anorganické plyny. Z množství vzniklého plynu lze vypočítat obsah příslušného prvku v organickém vzorku. C (org) CO 2 H (org) H 2 O N (org) NO + NO 2 S (org) SO 2

22 Kvalitativní a kvantitativní analýza základní pojmy Způsob jakými lze získat informace o vzrorku a analytu. přímé působení bez externího působení na vzorek (např. barva, zápach, měření ph ponořením elektrody) interakce analytická informace je získána na základě interakce vyvolané externím působením např. chemického činidla (hmotou) nebo žářením (energií). Výsledkem interakce je tzv. ODEZVA Kvalita přítomnost odezvy Kvantita velikost odezvy Interakce vzorek externí působení nevyvolá odezvu (nedochází k měřitelné změně) NEGATIVNÍ DŮKAZ je neselektivní - většina látek přítomných ve vzorku poskytují odezvu. NUTNÝ SEPARAČNÍ KROK je selektivní odezvu poskytují pouze ty látky ve vzorku, které patří do určité charakteristické třídy či skupiny. je specifická odezva je charakteristická pouze pro určitou látku a přítomnost jiných látek ve vzorku odezvu neruší. Jednozněčně rozhodneme o přítomnosti či nepřítomnosti látky ve vzorku.

23 Specifické interakce jsou přísně vázány na určité experimentální podmínky (např. teplotu, ph, vlnovou délku elektromagnetického záření). Využití vysoce specifických interakcí probíhajících za normálních okoloností v živých organismech (tzv. biospecifické interakce). IMUNOCHEMICKÉ REAKCE ENZYMATICKÉ REAKCE Kvalitativní analýza Důkaz přítomnosti či nepřítomnosti určité látky nebo látek ve vzorku, nebo zjistit složení zcela neznámého vzorku (nebo aspoň jeho hlavních komponent). Téměř vždy je nutné mít vzorek převedený do roztoku. Anorganická kvalitativní analýza Organická kvalitativní analýzy Naprosto odlišné postupy!

24 Hlavní rozdíly mezi anorganickou a organickou kvalitativní analýzou Anorganická analýza Důkazy založené na rychle probíhajících iontových reakcích v roztoku Důkaz iontu je zpravidla postačující informace Jednotlivé ionty lze dokázat ve směsích K důkazu obvykle postačí subjektivní metody zhodocení Organická analýza Reakce molekul i v roztocích jsou pomalé Prvkové složení je zcela nedostačující informace, nutná identifikace molekuly K identifikaci je nutné mít chemické individuum směs je nutné dělit Identifikace je nemožná bez využití instrumentálních metod

25 1. Orientační zkoušky 2. Skupinové reakce 3. Specifické (důkazové reakce) Kvalitativní anorganická analýza Orientační zkoušky první informace o možném kvalitativním složení vzorku. Pomáhají při dalším postupu analýzy Skupinové reakce umožní rozdělit ve vzorku přítomné ionty do skupin případně vyloučit přítomnost celé skupiny iontů Specifické reakce konečný důkaz přítomnosti nebo nepřítomnosti iontů ve vzorku. Orientační zkoušky Skupenství, barva, struktura, homogenita či heterogenita. Barva je velmi důležitá informace barvy některých iontů ve vodném roztoku (i v tuhých sloučeninách) jsou velice charakteristické

26 Ion Cu 2+ Ni 2+ Cr 3+ Co 2+ Au 3+, PtCl 2-6, CrO 2-4, [Fe(CN) 6 ] 4- Cr 2 O 2-7, [Fe(CN) 6 ] 3- MnO - 4 Zabarvení Modrá, zelená Světle zelená Zelená, fialová Růžová Žlutá Oranžová fialová

27 ph vzorku zjišťuje se orientačně ph papírkem smočeným roztokem vzorku, případně přitsiknutém k tuhém vzorku ovlhčeném vodou. ph neutrální alkalické Kyselé Látka Voda, soli silných kyselin a silných zásad Hydroxidy, soli slabých kyselin a silných zásad Kyseliny, soli silných kyselin a slabých zásad, roztoky solí Bi 3+, Sb 3+, Al 3+

28 Odparek Kapka roztoku se odpaří na sklíčku Odparek Žádný odparek odparek Látka Voda, těkavé kyseliny, NH 4 OH, amonné a rtuťnaté soli Soli, ostatní látky Reakce se zředěnou kyselinou sírovou Ke vzorku v malé zkumavce se přikápně zředěná kyselina sírová. Pozorujeme vývoj a zápach vznikajícího plynu. Anion Plyn Důkaz HCO 3-, CO 2-3 CO 2 Zákal kapky Ba(OH) 2 HS -, S 2- H 2 S Zápach, papírek s octanem olovnatým zčerná HSO 3-, SO 3 2- SO 2 Zápach, oranžový papírek s K 2 Cr 2 O 7 zezelená NO 2 - NO + NO 2 Hnědé dýmy, zápach CN - HCN Zápach po hořkých mandlích (jedovatý!!)

29 Plamenové zkoušky Vzorek se nanese na platinový drátek a umístí se do nesvítivé části plamene plynového kahanu. Pozorují se vzniklé zbarvení. Platinový drátek se před nanesením vzorku namáčí do kyseliny chlorovodíkové, protože těkavé chloridy lépe barví plamen. Ion Li + Sr 2+ Ca 2+ Na + K + Ba 2+ Cu 2+ Barva plamene Červená Červená Cihlově červená Intenzivně žlutooranžová Světle fialová Světle zelená zelenomodrá Sr Cu

30 Chování látek v plameni Chování látky Vzorek může obsahovat Hoří Organické látky Těká Soli NH 4+, rtuťnaté, arsenité Taví se Soli alkalických kovů Třaská NO 3-, ClO 3-, ClO - 4 Barví plamen Ionty Li, Na, K, Ca, Ba, Sr, Cu

31 Skupinové reakce Skupinové reakce vycházejí z podobnosti vlastností prvků v periodické soustavě a zahrnují hlavně srážecí a redoxní reakce. Při skupinových reakcích sledujeme tvorbu sraženiny, zbarvení sraženiny nebo roztoku a rozpouštění sraženiny v nadbytku činidla, zředěných kyselinách nebo zásadách. Dále jsou uvedena nejdůležtější skupinová činidla a jejich reakce sněkterými běžnými a některými toxickými ionty.

32 Tabulkový přehled skupinových reakcí nejvýznamějších kationtů