Komplexotvorné reakce

Transkript

1 Komplexotvorné reakce komplexy vznikají koordinační vazbou mezi centrálními ionty a ligandy ligandy anionty nebo neutrální molekuly - donory elektronového páru centrální ionty akceptory elektronového páru počet monodonorových ligandů udává koordinačníčíslo (2, 4 a 6) polydonorové komplexy ligandy mohou tvořit cheláty neboli cyklické komplexní kation s pětičlennými cykly komplexní ionty tvořící chelátový kruh jsou většinou stabilnější než ionty s monodonorovými ligandy chelátový efekt 1

2 Komplexotvorné reakce komplexní sloučeniny s elektrickým nábojem - rozpustné ve vodě nenabité komplexy - ve vodě nerozpustné při vzniku komplexů - rovnováha kation + ligand = komplex M + nl = ML n β = [ML n ]/([M].[L] n ) konstanta stability β postupná koordinace ligandu M + L = ML K 1 = [ML]/([M].[L]) ML + L = ML 2 K 2 = [ML 2 ]/([ML].[L]) ML n-1 + L = ML n K n = [ML n ]/([ML n-1 ].[L]) rovnovážné konstanty K 1,K 2, K n - dílčí konstanty stability β = K 1. K 2... K n celková konstanta stability podle β: stabilní a nestabilní komplexy 2

3 Konstanty stability 3

4 Využití selektivnější důkaz snadnější oddělení iontu srážedlo pro řadu iontů při nerozpustnosti komplexu ve vodě vážková analýza při rozpouštění prakticky nerozpustných látek barevné komplexy důkaz - fotometrické stanovení stálé rozpustné komplexy v odměrné analýze při maskování (stínění) iontů v roztoku Fe 3+ + NH 4 F, šťavelan, H 3 PO 4 [FeF 6 ] 3-, [Fe(C 2 O 4 ) 3 ] 3-, [Fe(PO 4 ) 2 ] 3- Pb 2+, Cu 2+, Sn 2+, Sn IV, Sb III, Sb V, Fe 3+, Cr 3+, Al 3+ + kyselina citronová nebo vinná komplexy stálé v alkalickém prostředí, takže NH 4 OH ani NaOH nesráží jejich hydroxidy 4

5 Reakce s dimethylglyoximem (diacetyldioximem) dioximy alifatických 1,2 diketonů (LH 2 ) chelát: čtvercově planární struktura 2 x pětičlenný stabilní chelátový cykl 2 x šestičlenný chelátový cykl intramolekulární vodíkové vazby (přídavná stabilizace) 5

6 Prostorové rozložení Ni- a Cu-chelátů dimethylglyoximu Ni(LH) 2 málo rozpustný ve vodě v pevném stavu planární molekuly na sobě vrstevnatě naskládány a mezi nimi d-d vazba mezi atomy -Ni-Ni-, tato vazba snižuje rozpustnost ve vodě a posouvá absorpční maximum chelátu v pevném stavu k delším λ (červená sraženina) Cu(LH) 2 rozpustný chelátové cykly nejsou koplanární jako u Ni(LH) 2 - molekuly 6 jsou párovány Cu se váže přes kyslík konfigurace tetragonálně pyramidální

7 Stabilita chelátů s dimethylglyoximem Pd(LH) 2 log β 2 = 34,1 stabilní, vznik v 0,1 mol l -1 HCl Ni(LH) 2 log β 2 = 21,8 méně stabilní, vznik v alkalickém prostředí stabilita Pd(LH) 2 > Cu(LH) 2 > Ni(LH) 2 > Co(LH) 2 ph 2 5 Důkaz Co 2+ a Fe 3+ s SCN - FeNCS 2+ (log β 1 = 2,1), Fe(NCS) + 2 (log β 2 = 4,3), Fe(NCS) 3 (log β 3 = 5,6) CoNCS + (log β 1 = 1,0), Co(NCS) 2 (log β 2 = 4,3), Co(NCS) 2-4 (log β 4 = 3) + F - Fe(NCS) F - = FeF 2+ + NCS - bezbarvý (log β = 6,8) Co 2+ + F - netvoří stabilní komplex (log β 1 = 0,7) 7

8 Důkaz NO 3 - oxidací difenylaminu (v konc. H 2 SO 4 ) difenylaminová modř semichinon biradikál modrý tripletový stav singletový stav oranžově hnědý 8

9 Důkaz Cl - po oxidaci na Cl 2 (KMnO 4, H 2 SO 4 ) Denigesovýmčinidlem (fenol + anilin) Cl 2 + 2OH - ClO - + Cl - + H 2 O Důkaz PO 4 3- reakcí s molybdenanem žlutá sraženina vznik (NH 4 ) 3 P(Mo 3 O 10 ) 4, (NH 4 ) 2 HP(Mo 3 O 10 ) 4 9

10 Analýza organických sloučenin propojena prakticky se všemi biologickými obory (genetika, fyziologie, ekologie, mikrobiologie, biochemie) využívá se při studiu životního prostředí - složení a znečistění půdy, vody, ovzduší zabývá se stanovením barviv, pesticidů, léčiv, potravinářských aditiv, vitaminů, analýzou biologických materiálů důkaz a identifikace čisté látky nebo určení složení směsi často nalezení strukturního vzorce příslušného chemického individua 10

11 Schematický postup při identifikaci organických látek 11

12 Schematický postup při identifikaci organických látek 12

13 Vybrané chemické reakce využívané v organické analýze reakce s KMnO 4 - štěpení násobných vazeb (vznikají COOH deriváty) - oxidace -OH, -CHO, -SH, -NH 2 Fehlingova reakce - reakce s CuSO 4 a vinanem sodno-draselným v prostředí KOH - důkaz redukujících sloučenin, zejména sacharidů - vznik červenohnědé sraženiny Cu 2 O reakce s Tollensovýmčinidlem - s amoniakálním roztokem Ag + - aromatické i alifatické aldehydy vyredukují elementární Ag reakce s kyselinou dusitou - reakce diazotační a kopulační slouží k důkazu a určení aminů 13

14 Odběr a příprava vzorku k analýze odběr vzorku je nedílnou a důležitou součástí každé analýzy kvalita provedení se projeví na správnosti a přesnosti analýzy špatný odběr - znehodnocuje výsledek analýzy při odběru - nutno přihlížet k povaze a původu vzorku (biologický vzorek, výrobní produkt, odpad, potravina) - k charakteru vzorku (velikost částic, zrnění) zohlednit způsob uskladnění vzorku a jeho vlastnosti způsoby odběru pevných, kapalných a plynných vzorků se liší po odběru vzorek upravit do formy požadované pro analýzu způsob odběru vzorku a odběrové zařízení se řídí předpisy a normami, předepsaná metodika 14

15 Vzorkování tuhých látek problém heterogenita - různě velké kusy - nerovnoměrné rozložení analytu čím je vzorek heterogenější, tím větší množství se odebírá, někdy 1-2% z celkového množství dílčí vzorky z několika míst -průměrný vzorek (1-15 kg) čím hrubší materiál- tím větší vzorek hrubý kusový materiál -čelisťový, válcový drtič rozemletí - kulový, válcový mlýn dělení kvartací nebo použitím mechanických děliček až na vzorek o hmotnosti několika gramů a hrubosti prachu pro analytické operace 15

16 Odběr biologických vzorků volně skladované drobné zboží (ovoce, zelenina, brambory) několik kusů z povrchu a z různých vrstev jemnozrnný materiál - vzorkovače φ 5 cm, délka 1 m sypký materiál v pytlích, sudech, kartonech - sondou polotekuté a kašovité materiály skladované v bazénech, tancích - odběr z vrstev drůbež, zvěřina celá balení nebo kusy zmrazené maso, ryby ve zmrazeném stavu z povrchu, i vnitřku malé balení celé vzorkovač sypkých a zrnitých materiálů 16

17 Odběr biologických vzorků analyzovaný vzorek - musí být reprezentativní - uchováván tak, aby se jeho složení neměnilo množství závisí na heterogenitě materiálu, obsahu analytu laboratorní vzorek g drcení, roztírání, mletí - třecí misky, mlýnek, Plattnerův hmoždíř - z achátu, korundu, ZrO 2 živočišné tkáně - rozkrájení nerezovým nožem na malé kostičky, rozemletí na masovém mlýnku, homogenizátor (3-5 o C) přesná dokumentace vzorkovnice z materiálu neovlivňujícího vzorek - široké hrdlo, neprodyšné uzavření - skleněné nádoby se zábrusovým uzávěrem - zatavené PVC sáčky, PVC prachovnice 17

18 Vzorkování kapalin menší problémy s heterogenitou často se stálostí vzorku - některé ukazatele ihned po odběru (ph, rozpuštěné plyny) - zakonzervování vzorku (například úpravou ph) pipety (násosky), sondy, upravené nádoby odběr do vhodných nádob - vzorkovnic (plastové, skleněné) homogenizace - promícháním, přeléváním 18

19 Vzorkování plynných látek * pro stanovení makrosložek - do nádob určitého objemu vzorkovací pipety, sondy (uzavření pomocí kohoutů nebo sept) ml plynoměrná pipeta * pro stopové koncentrace - dynamická metoda vzorkování - vzduch prochází odběrovým zařízením, kde se sledovaná složka absorbuje v absorpčním mediu nebo na sorbentu - lze tak zkoncentrovat analyt z většího objemu využití adsorpce, absorpce a vymrazení analytu alkalické filtry, promývačka s NaOH - kyselé plyny SO 2, NO x polétavý prach - membránový filtr (Synpor 4) 19

20 Rozpouštění, rozklad a mineralizace vzorků látky rozpustné ve vodě se rozpouštějí ve vodě za chladu nebo za zvýšené teploty látky ve voděčástečně rozpustné se převádějí do roztoku přídavkem zředěné kyseliny nebo hydroxidu materiál ve vodě nerozpustný se musí rozložit Druhy rozkladu vzorků pro anorganickou analýzu prostý rozklad zředěnou kyselinou prostý rozklad koncentrovanou kyselinou tavení vhodnými tavidly tlakový rozklad vzorku mikrovlnný rozklad vzorku 20

21 Rozklad zředěnou kyselinou obvykle HCl a HNO 3 HCl, když rozklad nevyžaduje oxidovadlo HNO 3, když je potřeba oxidace Rozklad koncentrovanou kyselinou nejčastěji HCl, HNO 3, H 2 SO 4, HClO 4, HF HNO 3 - oxidační vlastnosti kyseliny směs HCl a HNO 3 - lučavka královská (Au, Pd, Pt) 3 HCl + HNO 3 Cl 2 + NOCl + 2 H 2 O 2 NOCl Cl NO 2 NO + O 2 2 NO 2 - vlastní rozpouštěcíčinidlo - chlor, rozkladem vzniká chlorid kovu koncentrovaná H 2 SO 4 - velmi silná kyselina vykazující dehydratační a oxidační vlastnosti - vhodná rovněž k rozkladu organických látek koncentrovaná kyselina chloristá - vhodná pro oxidační rozklady - chloristany dobře rozpustné ve vodě - práce vyžaduje maximální opatrnost kyselina fluorovodíková - k rozkladu křemičitanů za tepla, vzniká 21 plynný SiF 4 - mnohdy kombinace s jinými kyselinami (HClO 4 )

22 Rozklady tavením výsledkem tavení obvykle vznik dvou složek, z nichž jedna je rozpustná ve vodě a druhá ve zředěné kyselině zásadité a kyselé tavení tavení lze provádět v platinovém, niklovém, někdy v porcelánovém kelímku zásadité tavení s alkalickými uhličitany tavidlo Na 2 CO 3, K 2 CO 3 nebo směs těchto uhličitanů obvykle k rozkladu síranů a některých křemičitanů tavení s Na 2 CO 3 - silikáty, půdy 22

23 Tlakové rozklady za zvýšené teploty v autoklávech k rozkladu slouží kyselina, často HCl či HF, případně ve směsi s HNO 3 nebo H 2 SO 4 pro biologické materiály oxidující minerální kyseliny (HNO 3, H 2 SO 4, HClO 4 ) příp. + H 2 O 2 možné převést do roztoku i materiály, které se za normálního tlaku kyselinami nerozkládají možná vyšší teplota rozkladu, obvykle 150 C C snížení kontaminace z atmosféry běžný ohřev prodloužení doby trvání primárním ohřevem autoklávu a nádobky 23

24 Rozklad biologických vzorků s HNO 3 v otevřené nádobě vzorek obsah C v % zbytek C v % škrob celulóza cukr mouka pšeničná řasy špenát jehličí borovice listí plnotučné mléko hovězí játra hovězí maso krev vepřová olej slunečnicový

25 Tlakový rozklad biologických vzorků - důležitý obsah uhlíku v materiálu - na 100 mg C - 2 ml HNO 3 (65%) o C 3 hod rozklad - navážka se volí podle tlaku (CO 2, NO 2, páry HNO 3, H 2 O) zbytkový uhlík 0,04% 25

26 Mikrovlnné rozklady mineralizace organických a biologických materiálů energie k ohřevu vzorku - prostřednictvím mikrovlnného záření v otevřených i v uzavřených systémech rozklad v uzavřeném systému - rozklad v nádobce z odolného plastu (teflon) za zvýšeného tlaku mikrovlnné záření - generováno magnetronem ve speciální laboratorní mikrovlnné rozkladné peci otevřený systém 26

27 Mikrovlnná energie λ = m ν = 300 MHz GHz nízká energie rotace dipólů, pohyb molekul, iontů komerčně od 2,45 GHz vybuzení rotace (dipólů vody) 27

28 Mikrovlnné rozklady moderní mikrovlnné pece umožňují současný rozklad více vzorků rozkládat lze vzorky přírodního původu i syntetické materiály biologické vzorky (krev, krevní plazma, vlasy, rostlinné, živočišné tkáně, houby) v přítomnosti silných minerálních kyselin a oxidačních činidel (HNO 3, HCl, HF, H 2 O 2 ) rozkladný program je vhodné rozdělit do několika fází postupné zvyšování intenzity mikrovlnného záření k zabránění bouřlivého průběhu reakce produktem mineralizace je čirý, homogenní roztok 28

29 Uzavřený systém 29

30 30

31 31

32 Mokrý rozklad nízkoteplotní * UV-fotolytická mineralizace vzorků UV záření + H 2 O 2 působením UV záření - H 2 O 2 - reaktivní OH radikály - radikálové reakce - rozklad organoarsenitých sloučenin, analýza přírodních vod, odpadních vod, nápojů, půdních extraktů - promíchání roztoků - nucená konvence - proti sobě umístěny zóny vyhřívací a chladící - odpařování vzorku zabráněno chlazením horníčásti nádobek - teplota ovlivněna průtokovou rychlostí chladící vody a objemem vzorku 32

33 Metody rozkladu biologických materiálů * suchý rozklad vysokoteplotní - muflová pec - zpopelnění organických látek - rostlinný materiál - spalování při o C - živočišný původ - popel s uhlíkem - přídavek oxidačníhočinidla- Mg(NO 3 ) 2 nízkoteplotní - radiofrekvenční plazma - rozklad pod vlivem vysokofrekvenčního magnetického pole v kyslíkovém plazmatu za nízkého tlaku a nízké teploty (150 o C) - studené plazma 33

34 Muflová pec 34

35 35

36 Izolace organických látek ze vzorku záleží na jejich bodu varu a polaritě metody: extrakce rozpouštědlem superkritická fluidní extrakce (SPE) head-space extrakce: látky labilní-za pokojově nebo snížené teploty náchylné k oxidaci - v inertní atmosféře nebo se stabilizačními přísadami citlivé na světlo- ve tmě, kryt z AI-fólie urychlení: ultrazvuková lázeň za varu pod zpětným chladičem -Soxhletův extraktor vzorek v extrakční patroně z papíroviny nebo ve "skleněné svíčce s fritou" 36

37 SPE: extrakce tekutinou v nadkritickém stavu nadkritická kapalina tj. plyn za tlaku a teploty vyšší než kritický bod-hustý plyn fyzikální vlastnosti- mezi kapalinou a plynem--nízká viskozita a vysoký difuzní koeficient -dobrá rozpouštěcí schopnost nejčastěji CO 2 pro extrakci polárních látek modifikace přídavkem methanolu kolekce analytů je dosaženo snížením tlaku ve sběrači s vhodným rozpouštědlem expanzí superkritické kapaliny-ochlazování rozpouštědla 37

38 Head-space dosažení rovnováhy mezi vzorkem a plynnou fází v uzavřeném systému nádobka se temperuje po určitou dobu -odebírá se plynná fáze Solubilizace biologických materiálů enzymatická hydrolýza (se směsí lipáz a proteáz) loužení s kyselinou octovou alkalická hydrolýza s tetramethylamonium hydroxidem loužení směsí NaOH (nebo HCl)-methanol 38