Masarykova univerzita

Masarykova univerzita Přírodovědecká fakulta Ústav chemie Plynová chromatografie organických sloučenin Brno 2010 Michal Machalíček

Poděkování: Na úvod bych chtěl poděkovat paní RNDr. Martě Farkové, CSc., za odborné a věcné rady ve vedení bakalářské práce, paní Ing. Heleně Zavadilové za umožnění využití prostor výukové laboratoře a konzultace, doc. Mgr. Janu Preislerovi, Ph.D., za pomoc s plynovou chromatografií, ještě jednou doc. Mgr. Janu Preislerovi, Ph.D., a Mgr. Petru Táborskému, Ph.D., za rady spojené s vyhledáváním zdrojů informací a s psaním bakalářské práce a všem studentům, kteří v rámci výuky předmětů C5190 (Analytická chemie - laboratorní cvičení II) a C6250 (Analytická chemie organických látek - laboratorní cvičení) vyzkoušeli nově vytvořené návody a podíleli se na jejich optimalizaci. Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatně a že veškeré výsledky jsou originální. podpis:... 2

Obsah: 1. Úvod... 5 2. Cíle... 6 3. Teoretická část... 7 3.1. Plynová chromatografie (GC)... 7 3.2. Historie plynové chromatografie [3]... 8 3.3. Alkoholy... 8 3.4. Metoda kalibrační křivky... 9 3.5. Metoda přídavku standardu... 10 4. Praktická část... 11 4.1. Přístroj YL 6100GC... 11 4.2. Chemikálie [12]... 12 4.3. Tlakové nádoby [13]... 13 4.4. Příprava vzorků... 13 4.4.1. Vzorky pro metodu Stanovení methylalkoholu a dalších komponent v konzumním destilátu... 13 4.4.2. Vzorky pro metodu Určení složení rozpouštědel... 14 4.5. Pracovní podmínky separace... 14 4.5.1. Teplotní program kolony pro metodu Stanovení methylalkoholu a dalších komponent v konzumním destilátu... 14 4.5.2. Teplotní program kolony pro metodu Určení složení rozpouštědel... 14 5. Výsledky... 15 5.1. Výsledky v rámci metody Stanovení methylalkoholu a dalších komponent v konzumním destilátu... 15 5.1.1. Stanovení mrtvého času a popis chromatogramů... 15 5.1.2. Metoda kalibrační křivky... 20 5.1.3. Metoda přídavku standardu... 22 5.2. Výsledky v rámci metody Určení složení rozpouštědel... 24 5.2.1. Metoda kalibrační křivky... 24 5.2.2. Metoda přídavku standardu... 25 3

6. Závěr a diskuze... 27 7. Seznam obrázků a tabulek uvedených v této práci... 28 7.1. Seznam obrázků... 28 7.2. Seznam tabulek... 28 8. Literatura... 29 4

1. Úvod V červnu roku 2009, kdy Ústav chemie mohl díky dotaci na projekt FRVŠ 537/2009 Inovace a rozvoj laboratoří pro výuku analytické chemie koupit od firmy LABICOM s.r.o. plynový chromatograf YL 6100GC se softwarem YL Clarity, se mi naskytla příležitost pracovat s výše uvedeným přístrojem a podílet se tak na vzniku a optimalizaci jednotlivých metod pro cvičení z analytické chemie. Této příležitosti jsem se rád chopil a doposud jsem vypracoval dvě metody. V rámci první metody - Stanovení methylalkoholu a dalších komponent v konzumním destilátu - jsem si pro bakalářskou práci vybral tři různé vzorky slivovice a pro druhou metodu - Určení složení rozpouštědel - jsem se rozhodl stanovovat množství acetonu ve vzorku odlakovače na nehty. 5

2. Cíle - Nastudovat literaturu vztahující se k tématu bakalářské práce - Seznámit se s plynovým chromatografem YL 6100GC a se softwarem YL Clarity, který je určen pro sběr, zpracování a vyhodnocení chromatografických dat - Vyvinout a optimalizovat metodu - Stanovení methylalkoholu a dalších komponent v konzumním destilátu - Vyvinout a optimalizovat metodu - Určení složení rozpouštědel - Vytvořit návody k jednotlivým metodám pro předměty C5190 (Analytická chemie - laboratorní cvičení II) a C6250 (Analytická chemie organických látek - laboratorní cvičení) 6

3. Teoretická část 3.1. Plynová chromatografie (GC) Plynová chromatografie je vysoce účinná separační metoda, která se používá převážně při analýze těkavých látek. Látky se od sebe separují na základě intenzity své interakce se stacionární fází. Hnací silou (mobilní fází) je proud inertního plynu. Metoda se dělí na rozdělovací plynovou chromatografii (GLC), kdy je separace založena na rozdílné rozpustnosti látek v systému plyn-kapalina, a na adsorpční plynovou chromatografii (GSC), kdy je separace založena na rozdílné adsorpci látek v systému plyn-pevná látka [1,2]. Schéma zapojení plynové chromatografie: Obr. č. 1 - Schéma zapojení plynové chromatografie Vyhodnocení plynové chromatografie: Výstupní informací z plynové chromatografie je tzv. chromatogram, což je grafický záznam závislosti signálu (napěťové odezvy) na čase a který se skládá z jednotlivých píků. Kvalitativní charakteristikou látky je retenční čas (t r ), popř. redukovaný retenční čas (t r ). Retenční čas odpovídá celkovému času, který stanovovaná látka stráví v separační koloně, a redukovaný retenční čas odpovídá času, který stanovovaná látka stráví ve stacionární fázi. Kvantitativní charakteristikou látky je výška píku (h), popř. plocha píku (S). Při vyhodnocování chromatogramu je dále vhodné určit počet teoretických pater (N ef ) pro danou látku a rozlišení (R s ), které nám udává míru separace dvou sousedních píků [1,2]. 7

3.2. Historie plynové chromatografie [3] 1903 - pojem chromatografie se objevuje v práci ruského botanika M. S. Tsveta 1952 - A. J. P. Martin použil plynovou chromatografii při separaci těkavých mastných kyselin 1963 - v tomto roce byla poprvé využita spřažená technika s plyn. chromatografií (MS-GC) 1980 - v tomto roce se objevují v GC kapilární kolony, které výrazně pomohly ke zkvalitnění separace 3.3. Alkoholy Alkoholy jsou organické sloučeniny, které obsahující ve své struktuře jednu nebo více hydroxylových skupin. Alkoholické nápoje jsou podrobně popsány ve vyhlášce Ministerstva zemědělství České republiky č. 335/1997 Sb. v oddíle 4, kde je uvedeno: alkoholickými nápoji se rozumí nápoje obsahující více než 1,2 % objemových ethanolu, kromě vína a piva. Lihovinami se rozumí alkoholické nápoje obsahující nejméně 15 % a nejvýše 79,5 % objemových ethanolu, kromě vína a piva. A pravými destiláty se rozumí alkoholické nápoje, jejichž ethanol pochází pouze ze zkvašené tekutiny nebo zkvašené zápary, vyrobené z cukerné nebo zcukřené polysacharidické suroviny, přičemž vlastní aroma vzniklého destilátu i produktů z něj vyrobených ředěním vodou je zachováno [4]. Vína a piva mají vlastní definici uvedenou v oddílech 2 resp. 3 téže vyhlášky. Methanol je bezbarvá nebezpečná toxická látka, která se obecně používá pro extrakci nebo jako rozpouštědlo. Otrava methanolem se projevuje bolestí hlavy, závratí, únavou, zvracením, zastřeným viděním, slepotou a popř. i smrtí. Smrtelná dávka methanolu se pohybuje od 0,340 do 1 mg/kg tělesné hmotnosti člověka [5,6]. Dle vyhlášky Státní zemědělské a potravinářské inspekce č. 141/1997 Sb. je povolené množství methanolu v konzumním destilátu nejvýše 15 g/l absolutního ethanolu [7]. Ethanol je bezbarvá kapalina, klasifikovaná jako hořlavina I. třídy. Je základní složkou alkoholických nápojů, ale používá se také jako palivo, rozpouštědlo, k desinfekci, k výrobě parfémů, jako surovina pro výrobu dalších organických sloučenin, atd. [5]. Vyšší alkoholy jsou důležitou součástí alkoholických nápojů, protože jejich množství a kombinace mají za následek charakteristické vlastnosti a aroma nápoje. Jejich vyšší množství má však za následek otravu organismu, která se projevuje bolestí hlavy [6]. 8

Kromě výše uvedených látek se v destilátech vyskytují další látky, které mají vliv na jejich kvalitu a aroma. Zastoupeny jsou převážně další alifatické alkoholy, aromatické alkoholy (benzylalkohol, 2-fenylethanol), vícemocné alkoholy (butan-2,3-diol a glycerol), dále aldehydy (acetaldehyd a benzaldehyd), alifatické těkavé kyseliny (kyselina octová, mravenčí, máselná) a v neposlední řadě také estery kyselin kapronové, kaprinové atd. [8]. Aceton je bezbarvá kapalina používaná převážně jako rozpouštědlo. 3.4. Metoda kalibrační křivky Metoda je založená na porovnávání signálu vzorku se sérií standardů obsahujících vhodně zvolené koncentrace vzorku. Nejvýhodnější je lineární tvar křivky v celém jejím rozsahu. Vhodné je také to, aby se signál vzorku nacházel uvnitř koncentračního rozsahu standardů. Rovnice kalibrační přímky je dána vztahem: S = a + b c (1) kde: S... hodnota signálu a... úsek určený přímkou na ose y ( posunutí ) b... směrnice přímky c... koncentrace Po určení kalibrační závislosti stanovíme koncentraci vzorku tak, že do rovnice kalibrační přímky dosadíme hodnotu signálu vzorku a vypočítáme jeho koncentraci. 9

3.5. Metoda přídavku standardu Tato metoda předpokládá linearitu kalibrační závislosti a používá se převážně v případech, kdy je potřeba odstranit vliv matrice na směrnici kalibrační závislosti. V tomto případě se postupuje tak, že nejdříve určíme signál vzorku a poté signál vzorku po přídavku standardu o známé koncentraci. Vzorec pro výpočet koncentrace vzorku [9]: c 1 = [A 1 / (A 2 - A 1 )] (V s c s / V 1 ) (2) kde: c 1... neznámá koncentrace vzorku c s... známá koncentrace standardu V 1... objem vzorku V s... objem roztoku standardu A 1... hodnota signálu vzorku o neznámé koncentraci (c 1 ) A 2... hodnota signálu vzorku o neznámé koncentraci (c 1 ) s přídavkem standardu o známé koncentraci (c s ) 10

4. Praktická část 4.1. Přístroj YL 6100GC Obr. č. 2 - Přístroj YL 6100GC Parametry a specifikace přístroje [10]: - nástřikový prostor: - vyhřívání až do 450 C - BTO septum - liner - typ: Agilent 5062-3587 - kolonový prostor: - teplota od 4 C nad laboratorní teplotu do 450 C - teplotní program až 100 C/min - teplotní stabilita 0,05 C - detektor: - plamenově ionizační detektor (FID) Plamenově ionizační detektor je jeden z typů detektorů, který se používá pro detekci v plynové chromatografii. Princip detekce zde spočívá v měření změny ionizačního proudu mezi elektrodami. Přítomnost vzorku v kyslíkovodíkovém plameni zvyšuje 11

počet ionizačních částic, vzniklé částice zaplňují prostor mezi elektrodami, snižují odpor, čímž se zvýší proud, který je následně detekován. Mezi výhody FID patří velký lineární rozsah měření a vysoká citlivost. Mezi nevýhody patří to, že se dá využít jen pro organické látky obsahující ve své struktuře uhlík (mimo formaldehydu) [1,11]. 4.2. Chemikálie [12] - methylalkohol (methanol) - čistota: p.a., 99,50 % - CAS: 67-56-1 - R-věty: R11, R23/24/25, R39/23/24/25 - S-věty: S1/2, S7, S16, S36/37, S45 - výrobce: Lach-Ner s.r.o., Neratovice - ethylalkohol (ethanol) - čistota: p.a., 99,50 % - CAS: 64-17-5 - R-věty: R11 - S-věty: S2, S7, S16 - výrobce: Merck spol. s r.o., Praha 4 - propylalkohol (propan-1-ol) - čistota: p.a. - CAS: 71-23-8 - R-věty: R11, R41, R67 - S-věty: S2, S7, S16, S24, S26, S39 - výrobce: Penta, Praha 6 - isobutanol (2-methyl-propan-1-ol) - čistota: p.a. - CAS: 78-92-2 - R-věty: R10, R37/38, R41, R67 - S-věty: S7/9, S13, S26, S37/39, S46 - výrobce: Penta, Praha 6 12

- aceton - čistota: p.a., 99,00 % - CAS: 67-64-1 - R-věty: R11, R39/23/24/25 - S-věty: S1/2, S7, S16, S36/37, S45 - výrobce: Penta, Praha 6 - vzorky konzumního destilátu (slivovice) - tři vlastní vzorky slivovice z let 2008-2010 - vzorek rozpouštědla (odlakovač na nehty) - výrobce: Mika a.s., Česká Třebová 4.3. Tlakové nádoby [13] - dusík (čistota: 5.0) - CAS: 7727-37-9 - nosný plyn - výrobce: SIAD Czech spol. s r.o., Praha 6 - vodík (čistota 4.5) - CAS: 1333-74-0 - pomocný plyn - spalovací palivo pro FID - výrobce: SIAD Czech spol. s r.o., Praha 6 - vzduch (čistota 5.0) - CAS: 132259-10-0 - pomocný plyn - oxidační činidlo spalovacího plynu ve FID - výrobce: SIAD Czech spol. s r.o., Praha 6 4.4. Příprava vzorků 4.4.1. Vzorky pro metodu Stanovení methylalkoholu a dalších komponent v konzumním destilátu Pro stanovení methanolu ve vzorcích slivovice jsem si připravil kalibrační roztoky o obsahu 0,01; 0,05; 0,10; 0,15 a 0,20 % (v/v) methanolu ve vodě a pro stanovení ethanolu ve vzorcích slivovice jsem si připravil kalibrační roztoky o obsahu 0,20; 0,40; 0,60; 0,80 a 1,00 % (v/v) ethanolu ve vodě. Dále jsem si připravil směs čtyř alkoholů (methanol, ethanol, n-propanol a isobutanol) ve vodě. Obsah jednotlivých 13

složek činil 0,50 % (v/v). Jako poslední jsem si připravil směs čtyř alkoholů s acetonem ve vodě, kde obsah jednotlivých složek činil také 0,50 % (v/v). Vzorky slivovice jsem pro stanovení methanolu zředil 10x a pro stanovení ethanolu 100x. 4.4.2. Vzorky pro metodu Určení složení rozpouštědel Pro stanovení acetonu ve vzorku rozpouštědla jsem si připravil kalibrační roztoky o obsahu 0,20; 0,40; 0,60; 0,80 a 1,00 % (v/v) acetonu ve vodě. Vzorek rozpouštědla jsem zředil 100x. 4.5. Pracovní podmínky separace - teplota nástřikového prostoru: 200 C - kolona - typ: CARBOWAX/BTR, délka 30 m, vnitřní průměr 0,25 mm, tloušťka sorbentu 0,25 μm - průtok nosného plynu přes kolonu: 1 ml/min - split (rozdělovací poměr nástřiku): 1/70 - detektor FID - průtok H 2 : 30 ml/min - průtok vzduchu: 300 ml/min - Makeup: 20 ml/min - teplota detektoru: 240 C 4.5.1. Teplotní program kolony pro metodu Stanovení methylalkoholu a dalších komponent v konzumním destilátu - 50 C (2 minuty), 5 C/min, 60 C (0 minut), 30 C/min, 180 C (0 minut) 8 minut + 6 minut chlazení; celkový čas cyklu 14 minut 4.5.2. Teplotní program kolony pro metodu Určení složení rozpouštědel - 40 C (4 minuty), 40 C/min, 180 C (0 minut) 7,5 minut + 6 minut chlazení; celkový čas cyklu 13,5 minuty 14

5. Výsledky 5.1. Výsledky v rámci metody Stanovení methylalkoholu a dalších komponent v konzumním destilátu - jednotlivé úkoly jsou podrobněji popsány v příloze I 5.1.1. Stanovení mrtvého času a popis chromatogramů Mrtvý čas jsem určil z nástřiku plynu (asi 2 μl), který je dostupný v laboratoři a který slouží jako palivo do kahanů. Obr. č. 3 - Chromatogram nástřiku plynu z laboratoře Tab. č. 1 - Určení mrtvého času Název látky Retenční čas = mrtvý čas [min] plyn z laboratoře 1.96 15

Provedl jsem nástřik 1 μl směsi čtyř alkoholů ve vodě a pomocí aproximace píků na rovnoramenné trojúhelníky jsem vypočítal šířky píků při základně. Obr. č. 4 - Chromatogram nástřiku směsi čtyř alkoholů ve vodě Tab. č. 2 - Popis k chromatogramu nástřiku směsi čtyř alkoholů ve vodě Pík č. Název látky Retenční čas [min] Redukovaný retenční čas [min] Plocha píku [mv.s] Výška píku [mv] Šířka píku [s] 2 methanol 3,37 1,41 904,18 387,59 4,67 3 ethanol 3,79 1,83 1329,30 647,14 4,11 4 propan-1-ol 5,34 3,38 1781,15 849,87 4,19 5 butan-2-ol 6,08 4,12 2184,62 745,45 5,86 Postup výpočtu šířky píku: - vzorec pro výpočet plochy rovnoramenného trojúhelníku: S = w h / 2 (3) kde: w... neznámá šířka píku při základně S... plocha píku h... výška píku - šířka píku pro methanol: w = 2 S / h = 2 904,18 mv.s / 387,59 mv = 4,67 s - pro ostatní látky je postup výpočtu šířky píku stejný jako pro methanol 16

Poté jsem provedl nástřik 1 μl směsi čtyř alkoholů s acetonem ve vodě a opět pomocí aproximace píků na rovnoramenné trojúhelníky jsem vypočítal jejich šířku při základně. Obr. č. 5 - Chromatogram nástřiku směsi čtyř alkoholů s acetonem ve vodě Tab. č. 3 - Popis k chromatogramu nástřiku směsi čtyř alkoholů s acetonem ve vodě Pík č. Název látky Retenční čas [min] Redukovaný retenční čas [min] Plocha píku [mv.s] Výška píku [mv] Šířka píku [s] 1 aceton 2,71 0,75 1354,51 1184,41 2,29 2 methanol 3,38 1,42 944,92 480,30 3,93 3 ethanol 3,81 1,85 1796,29 948,22 3,79 4 propan-1-ol 5,36 3,40 2068,41 1112,88 3,72 5 butan-2-ol 6,09 4,13 2525,81 898,05 5,63 17

log redukovaného retenčního času [Zadejte text.] Sestrojil jsem graf závislosti log redukovaného retenčního času na počtu uhlíkových atomů v molekulách alkoholů. Tab. č. 4 - Hodnoty pro sestrojení grafu závislosti log redukovaného retenčního času na počtu uhlíkových atomů v molekulách alkoholů Název látky Počet uhlíků t r z tab. č. 2 [min] t r z tab. č. 3 [min] Průměr t r [min] log průměru t r methanol 1 1,41 1,42 1,42 0,1523 ethanol 2 1,83 1,85 1,84 0,2648 propan-1-ol 3 3,38 3,40 3,39 0,5302 butan-2-ol 4 4,12 4,13 4,13 0,6160 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 y = 0,1657x - 0,0233 R 2 = 0,9601 0 1 2 3 4 5 Počet uhlíkových atomů v molekulách alkoholů Obr. č. 6 - Graf závislosti log redukovaného retenčního času na počtu uhlíkových atomů v molekulách alkoholů Provedl jsem stanovení významnosti úseku a: - v programu Statistica jsem zjistil kritickou hodnotu Studentova t-rozdělení pro 2 stupně volnosti na hladině významnosti α = 0,05: t α (2) = 4,3027 - směrodatnou odchylku s(a) jsem vypočítal pomocí funkce linregrese v programu Microsoft Excel: s(a) = 0,0654 - porovnávaná hodnota: t a = a / s(a) = 0,0233 / 0,0654 = 0,3563 Hodnota t a < t α (2), z toho vyplývá, že úsek a je statisticky nevýznamný na hladině významnosti α = 0,05. Hodnota nové kalibrační rovnice: y = 0,1579 x 18

Podle vzorců uvedených v příloze I jsem pro jednotlivé látky v chromatogramu nástřiku směsi čtyř alkoholů s acetonem ve vodě vypočítal počet teoretických pater a zjistil jsem rozlišení mezi dvěma nejbližšími píky (methanolem a ethanolem). Tab. č. 5 - Stanovení počtu teoretických pater Název látky Retenční čas [s] Mrtvý čas [s] Šířka píku [s] Počet teoretických pater (N ef ) aceton 162,6 117,6 2,29 6 178 methanol 202,8 117,6 3,93 7 519 ethanol 228,6 117,6 3,79 13 724 propan-1-ol 321,6 117,6 3,72 48 116 butan-2-ol 365,4 117,6 5,63 30 996 - postup výpočtu počtu teoretických pater pro aceton: N ef = 16 (162,6 s - 117,6 s) 2 / (2,29 s) 2 = 6 178 - pro ostatní látky je postup výpočtu stejný jako pro aceton Tab. č. 6 Určení hodnoty rozlišení mezi dvěma nejbližšími píky Název látky Retenční čas [s] Šířka píku [s] methanol 202,8 3,93 ethanol 228,6 3,79 Rozlišení (R s ) 6,68 - postup výpočtu rozlišení mezi methanolem a ethanolem: R s = (228,6 s - 202,8 s) / [(3,79 s + 3,93 s) / 2] = 6,68 19

Hodnota signálu [mv] [Zadejte text.] 5.1.2. Metoda kalibrační křivky Provedl jsem nástřik jednotlivých kalibračních roztoků, sestrojil jsem graf kalibrační přímky a stanovil jsem množství methanolu, resp. ethanolu ve vzorcích slivovice. Tab. č. 7 - Hodnoty pro sestrojení kalibračního grafu pro stanovení methanolu Kalibrační roztok č. Množství methanolu (v/v) [%] 1 0,01 13,11 2 0,05 59,57 3 0,10 124,05 4 0,15 198,66 5 0,20 254,28 Hodnota signálu [mv] 300 250 200 150 100 50 0 y = 1295,6x - 2,2208 R 2 = 0,9981 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Množství methanolu (v/v) *%] Obr. č. 7 - Kalibrační graf pro stanovení methanolu Provedl jsem stanovení významnosti úseku a: - v programu Statistica jsem zjistil kritickou hodnotu Studentova t-rozdělení pro 3 stupně volnosti na hladině významnosti α = 0,05: t α (3) = 3,1824 - směrodatnou odchylku s(a) jsem vypočítal pomocí funkce linregrese v programu Microsoft Excel: s(a) = 4,0345 - porovnávaná hodnota: t a = a / s(a) = 2,2208 / 4,0345 = 0,5504 Hodnota t a < t α (3), z toho vyplývá, že úsek a je statisticky nevýznamný na hladině významnosti α = 0,05. Hodnota nové kalibrační rovnice: y = 1 280,6 x 20

Hodnota signálu [mv] [Zadejte text.] Tab. č. 8 - Hodnoty pro sestrojení kalibračního grafu pro stanovení ethanolu Kalibrační roztok č. Množství ethanolu (v/v) [%] 1 0,20 319,89 2 0,40 703,54 3 0,60 1055,14 4 0,80 1420,26 5 1,00 1702,47 Hodnota signálu [mv] 2000 1500 y = 1740,9x - 4,304 R 2 = 0,9974 1000 500 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Množství ethanolu (v/v) *%] Obr. č. 8 - Kalibrační graf pro stanovení ethanolu Provedl jsem stanovení významnosti úseku a: - v programu Statistica jsem zjistil kritickou hodnotu Studentova t-rozdělení pro 3 stupně volnosti na hladině významnosti α = 0,05: t α (3) = 3,1824 - směrodatnou odchylku s(a) jsem vypočítal pomocí funkce linregrese v programu Microsoft Excel: s(a) = 33,7578 - porovnávaná hodnota: t a = a / s(a) = 4,3040 / 33,7578 = 0,1275 Hodnota t a < t α (3), z toho vyplývá, že úsek a je statisticky nevýznamný na hladině významnosti α = 0,05. Hodnota nové kalibrační rovnice: y = 1 735,1 x 21

Provedl jsem nástřik 1 μl jednotlivých zředěných vzorků slivovice a stanovil jsem množství methanolu a ethanolu. Tab. č. 9 - Stanovení množství methanolu a ethanolu ve vzorcích slivovice pomocí metody kalibrační křivky Vzorek č. Hodnota signálu methanolu [mv] Množství methanolu (v/v) [%] Hodnota signálu ethanolu [mv] Množství ethanolu (v/v) [%] 1 66,90 0,52 893,51 51,50 2 115,12 0,90 789,02 45,47 3 93,27 0,73 931,19 53,67 - postup výpočtu množství methanolu v prvním vzorku slivovice: y = 1 280,6 x x = y / 1280,6 = 66,90 / 1280,6 = 0,052 f zř = 0,052 10 = 0,52 % - pro ostatní vzorky je postup výpočtu stejný jako pro první vzorek - postup výpočtu množství ethanolu v prvním vzorku slivovice: y = 1 735,1 x x = y / 1735,1 = 893,51 / 1735,1 = 0,5150 f zř = 0,5150 100 = = 51,50 % - pro ostatní vzorky je postup výpočtu stejný jako pro první vzorek 5.1.3. Metoda přídavku standardu Do dvou odměrných baněk na 10 ml jsem si odměřil 1 ml, resp. 100 μl methanolu, resp. ethanolu. Poté jsem do druhé odměrné baňky odměřil 50 μl, resp. 100 μl standardu methanolu, resp. ethanolu o koncentraci 0,02460 mol.cm -3, resp. 0,01708 mol.cm -3. Doplnil jsem destilovanou vodou po rysku. Změřil jsem hodnotu signálu první odměrné baňky jen se vzorkem a poté jsem změřil hodnotu signálu druhé odměrné baňky se vzorkem a standardem methanolu, resp. ethanolu. Pomocí vzorce uvedeného na straně 10 jsem ve vzorcích slivovice určil množství methanolu, resp. ethanolu. Výpočet koncentrace standardu methanolu: - molární hmotnost: M = 32,04 g.mol -1 - hustota: ρ = 0,792 g.cm -3 - objemové procento: 99,50 % w = 0,9950 - koncentrace: c = ρ w / M = 0,792 g.cm -3 0,9950 / 32,04 g.mol -1 = = 0,02460 mol.cm -3 Výpočet koncentrace standardu ethanolu: - molární hmotnost: M = 46,07 g.mol -1 22

- hustota: ρ = 0,791 g.cm -3 - objemové procento: 99,50 % w = 0,9950 - koncentrace: c = ρ w / M = 0,791 g.cm -3 0,9950 / 46,07 g.mol -1 = = 0,01708 mol.cm -3 Tab. č. 10 - Stanovení množství methanolu a ethanolu ve vzorcích slivovice pomocí metody přídavku standardu Methanol Vzorek č. Hodnota signálu vzorku [mv] Hodnota signálu vzorku po přídavku standardu [mv] Koncentrace stanovované látky [mol.cm -3 ] Množství stanovované látky (v/v) [%] 1 70,15 692,37 1,39 10-4 0,56 2 109,18 706,84 2,25 10-4 0,91 3 86,73 657,60 1,87 10-4 0,76 Ethanol 1 865,11 2474,79 9,18 10-3 53,48 2 796,47 2503,91 7,97 10-3 46,41 3 920,82 2647,23 9,11 10-3 53,07 - postup výpočtu koncentrace methanolu v prvním vzorku slivovice dle vzorce uvedeného na straně 10: c 1 = [70,15 mv / (692,37 mv - 70,15 mv)] (50 μl 0,02460 mol.cm -3 / 1000 μl) = = 1,39 10-4 mol.cm -3 - postup výpočtu množství methanolu v prvním vzorku slivovice: 0,02460 mol.cm -3... 99,50 % 1,39 10-4 mol.cm -3... x % x = 0,56 % - pro ostatní vzorky slivovice je postup stejný jako u prvního vzorku - postup výpočtu koncentrace ethanolu v prvním vzorku slivovice dle vzorce uvedeného na straně 10: c 1 = [865,11 mv / (2474,79 mv - 865,11 mv)] (100 μl 0,01708 mol.cm -3 / 100 μl) = = 9,18 10-3 mol.cm -3 - postup výpočtu množství ethanolu v prvním vzorku slivovice: 0,02460 mol.cm -3... 99,50 % 9,18 10-3 mol.cm -3... x % x = 53,48 % - pro ostatní vzorky slivovice je postup stejný jako u prvního vzorku 23

Hodnota signálu [mv] [Zadejte text.] 5.2. Výsledky v rámci metody Určení složení rozpouštědel - úkoly jsou podrobněji popsány v příloze II 5.2.1. Metoda kalibrační křivky Pomocí kalibračních roztoků jsem sestrojil graf kalibrační přímky a stanovil jsem množství acetonu ve vzorku rozpouštědla. Tab. č. 11 - Hodnoty pro sestrojení kalibračního grafu pro stanovení acetonu Kalibrační roztok č. Množství acetonu (v/v) [%] 1 0,20 366,21 2 0,40 791,45 3 0,60 1156,18 4 0,80 1597,92 5 1,00 1916,87 Hodnota signálu [mv] 2500 2000 1500 1000 500 0 y = 1953,9x - 6,611 R 2 = 0,9978 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Množství acetonu (v/v) [%] Obr. č. 9 - Kalibrační graf pro stanovení acetonu Provedl jsem stanovení významnosti úseku a: - v programu Statistica jsem zjistil kritickou hodnotu Studentova t-rozdělení pro 3 stupně volnosti na hladině významnosti α = 0,05: t α (3) = 3,1824 - směrodatnou odchylku s(a) jsem vypočítal pomocí funkce linregrese v programu Microsoft Excel: s(a) = 34,9228 - porovnávaná hodnota: t a = a / s(a) = 6,6110 / 34,9228 = 0,1893 24

Hodnota t a < t α (3), z toho vyplývá, že úsek a je statisticky nevýznamný na hladině významnosti α = 0,05. Hodnota nové kalibrační rovnice: y = 1 944,9 x Provedl jsem nástřik 1 μl vzorku rozpouštědla a stanovil jsem množství acetonu. Tab. č. 12 - Stanovení množství acetonu ve vzorku rozpouštědla pomocí metody kalibrační křivky Vzorek rozpouštědla Hodnota signálu Množství acetonu (v/v) [mv] [%] odlakovač na nehty 753,00 38,72 - postup výpočtu množství acetonu ve vzorku rozpouštědla: y = 1 944,9 x x = y / 1944,9 = 753,00 / 1944,9 = 0,3872 f zř = 0,3872 100 = = 38,72 % 5.2.2. Metoda přídavku standardu Do dvou odměrných baněk na 10 ml jsem si odměřil 100 μl acetonu. Poté jsem do druhé odměrné baňky odměřil 50 μl acetonu o koncentraci 0,01347 mol.cm -3. Doplnil jsem destilovanou vodou po rysku. Změřil jsem hodnotu signálu první odměrné baňky jen se vzorkem a poté jsem změřil hodnotu signálu druhé odměrné baňky se vzorkem a standardem acetonu. Pomocí vzorce uvedeného na straně 10 jsem ve vzorku rozpouštědla určil množství acetonu. Výpočet koncentrace standardu acetonu: - molární hmotnost: M = 58,07 g.mol -1 - hustota: ρ = 0,790 g.cm -3 - objemové procento: 99,00 % w = 0,9900 - koncentrace: c = ρ w / M = 0,790 g.cm -3 0,9900 / 58,07 g.mol -1 = = 0,01347 mol.cm -3 25

Tab. č. 13 - Stanovení množství acetonu ve vzorku rozpouštědla pomocí metody přídavku standardu Hodnota signálu vzorku [mv] Hodnota signálu vzorku po přídavku standardu [mv] Aceton Koncentrace stanovované látky [mol.cm -3 ] Množství stanovované látky (v/v) [%] 753,00 1769,14 4,99 10-3 36,67 - postup výpočtu koncentrace acetonu ve vzorku odlakovače na nehty dle vzorce uvedeného na straně 10: c 1 = [753,00 mv / (1769,14 mv - 753,00 mv)] (50 μl 0,01347 mol.cm -3 / 100 μl) = = 4,99 10-3 mol.cm -3 - postup výpočtu množství acetonu ve vzorku odlakovače na nehty: 0,01347 mol.cm -3... 99,00 % 4,99 10-3 mol.cm -3... x % x = 36,67 % 26

6. Závěr a diskuze Byly splněny všechny cíle bakalářské práce. Vyvinul jsem a optimalizoval metodu Stanovení methylalkoholu a dalších komponent v konzumním destilátu a metodu Určení složení rozpouštědel. K oběma metodám jsem vytvořil návody (příloha I a II) pro předměty C5190 (Analytická chemie - laboratorní cvičení II) a C6250 (Analytická chemie organických látek - laboratorní cvičení). Určil jsem množství methanolu ve třech vzorcích slivovice pomocí metody kalibrační křivky a pomocí metody přídavku standardu. Množství methanolu ve všech třech vzorcích nepřekročilo hodnotu 1 % (v/v), což považuji za kladnou informaci, protože vyhláška Státní zemědělské a potravinářské inspekce povoluje maximální hodnotu methanolu 15 g/l absolutního alkoholu, což odpovídá asi 1 % methanolu v 50 % alkoholu (v/v). Dále jsem určil množství ethanolu ve třech vzorcích slivovice pomocí metody kalibrační křivky a pomocí metody přídavku standardu. Množství ethanolu se pohybovalo v rozmezí 45-55 % (v/v), což odpovídá obvyklé hodnotě stanovovaného typu destilátu. Jako poslední jsem stanovil množství acetonu ve vzorku odlakovače na nehty pomocí metody kalibrační křivky a pomocí metody přídavku standardu. Hodnota acetonu se pohybovala kolem 38 % (v/v). Bohužel nemůžu objektivně posoudit, zda je hodnota dostatečně správná a přesná, protože se mi nepodařila zjistit deklarovaná hodnota od výrobce, avšak v rámci podobných rozpouštědel se množství acetonu pohybuje v intervalu obvyklých hodnot. Výhledově pracuji na stanovení dalších komponent ve vzorcích slivovice, jako jsou vyšší alkoholy, ethylacetát, acetaldehyd či benzylalkohol. Dále pracuji na stanovení množství acetonu v tzv. "bezacetonových" odlakovačích na nehty, ve kterých výrobce uvádí jako složku dimethylketon, což je systematický název právě pro aceton. 27

7. Seznam obrázků a tabulek uvedených v této práci 7.1. Seznam obrázků Obr. č. 1 Schéma zapojení plynové chromatografie Obr. č. 2 Přístroj YL 6100GC Obr. č. 3 Chromatogram nástřiku plynu z laboratoři Obr. č. 4 Chromatogram nástřiku směsi čtyř alkoholů ve vodě Obr. č. 5 Chromatogram nástřiku směsi čtyř alkoholů s acetonem ve vodě Obr. č. 6 Graf závislosti log redukovaného retenčního času na počtu uhlíkových atomů v molekulách alkoholů Obr. č. 7 Kalibrační graf pro methanol Obr. č. 8 Kalibrační graf pro ethanol Obr. č. 9 Kalibrační graf pro aceton 7.2. Seznam tabulek Tab. č. 1 Určení mrtvého času Tab. č. 2 Popis k chromatogramu nástřiku směsi čtyř alkoholů ve vodě Tab. č. 3 Popis k chromatogramu nástřiku směsi čtyř alkoholů s acetonem ve vodě Tab. č. 4 Hodnoty pro sestrojení grafu závislosti log redukovaného retenčního času na počtu uhlíkových atomů v molekulách alkoholů Tab. č. 5 Stanovení počtu teoretických pater Tab. č. 6 Určení hodnoty rozlišení mezi dvěma nejbližšími píky Tab. č. 7 Hodnoty pro sestrojení kalibračního grafu pro stanovení methanolu Tab. č. 8 Hodnoty pro sestrojení kalibračního grafu pro stanovení ethanolu Tab. č. 9 Stanovení množství methanolu a ethanolu ve vzorcích slivovice pomocí metody kalibrační křivky Tab. č. 10 Stanovení množství methanolu a ethanolu ve vzorcích slivovice pomocí metody přídavku standardu Tab. č. 11 Hodnoty pro sestrojení kalibračního grafu pro stanovení acetonu Tab. č. 12 Stanovení množství acetonu ve vzorku rozpouštědla pomocí metody kalibrační křivky Tab. č. 13 Stanovení množství acetonu ve vzorku rozpouštědla pomocí metody přídavku standardu 28

8. Literatura [1] www.chemi.muni.cz/~literak/uvod.pdf (1.5.2009) [2] návody pro plynovou chromatografii od pana Mgr. Davida Potěšila [3] prezentace pana doc. Mgr. Jana Havliše, Dr. pro předmět C7030 - Separační metody [4] Sbírka zákonů Ministerstva zemědělství České republiky (http://aplikace.mvcr.cz/archiv2008/sbirka/1997/sb111-97.pdf - 1.5.2010) [5] Wang Mei-Ling a spol., A rapid and accurate method for determination of methanol in alcoholic beverage by direct injection capillary gas chromatography (vydáno v roce 2004 v časopise Journal of Food Composition and Analysis, www.sciencedirect.com - 22.3.2010) [6] Nováková Pavla, Analýza významných látek v alkoholických nápojích (http://dspace.upce.cz/bitstream/10195/34729/1/novákováp_analýza významných_ma_2cast_2009.pdf - 3.11.2009) [7] www.szpi.gov.cz (13.5.2010) [8] Korhoňová Marcela a spol., Analýza markerů pro charakterizaci destilátů (vydáno v roce 2007 v časopise Chemické listy, www.chemickelisty.cz/docs/full/2007_03_217-219.pdf - 22.3.2010) [9] http://web.vscht.cz/pluharj/uzitecne/zakladni_statisticke_vypocty.ppt [10] www.labicom.cz (3.5.2010) [11] Klouda Pavel, Moderní analytické metody (2. upravené vydání, 2003) [12] www.merck-chemicals.cz (3.5.2010) [13] www.siad.com/repceca/pagina.asp?m=4&id=233 (3.5.2010) 29