1

Univerzita Jana Evangelisty Purkyn

Fakulta životního prostedí

Základy analytické chemie

Ing. Sylvie Kíženecká

2007

2

Obsah: ANALYTICKÁ CHEMIE - ÚVOD..................................................................................................................... 6 ROZDLENÍ ANALYTICKÝCH METOD....................................................................................................... 7 DLEŽITÉ POJMY V KVALITATIVNÍ A KVANTITATIVNÍ ANALÝZE................................................ 8 ODBR A ÚPRAVA VZORK .......................................................................................................................... 9

ODBR ................................................................................................................................................................ 9 VZORKOVÁNÍ OVZDUŠÍ ..................................................................................................................................... 11

Vzorkování vnjšího ovzduší........................................................................................................................ 11 ODBR KAPALNÝCH VZORK ............................................................................................................................ 12

Vzorkování povrchových vod....................................................................................................................... 13 Vzorkování odpadních vod .......................................................................................................................... 14

VZORKOVÁNÍ ODPAD ...................................................................................................................................... 14 UCHOVÁVÁNÍ ODEBRANÝCH VZORK............................................................................................................... 15

ÚPRAVA VZORK ........................................................................................................................................... 15 PEVÁDNÍ ANORGANICKÝCH LÁTEK DO ROZTOKU .......................................................................................... 16

Rozpouštní v nereaktivních rozpouštdlech ............................................................................................... 16 Rozpouštní v reaktivních rozpouštdlech................................................................................................... 16 Jiné zpsoby rozkladu.................................................................................................................................. 19

KVALITATIVNÍ ANORGANICKÁ ANALÝZA............................................................................................ 20 SKUPINOVÉ REAKCE KATIONT......................................................................................................................... 20

Reakce s kyselinou chlorovodíkovou ........................................................................................................... 20 Reakce s kyselinou sírovou .......................................................................................................................... 21 Reakce se sirovodíkem v kyselém prostedí................................................................................................. 21 Reakce se sulfidem amonným ...................................................................................................................... 21 Reakce s hydroxidy alkalických kov .......................................................................................................... 22 Reakce s vodným roztokem amoniaku ......................................................................................................... 22 Reakce s jodidem draselným........................................................................................................................ 23 Reakce s uhliitany alkalických kov .......................................................................................................... 23 Reakce s alkalickým fosforenanem ............................................................................................................ 24

VYBRANÉ REAKCE ANIONT ............................................................................................................................. 24 ANALÝZA ORGANICKÝCH LÁTEK............................................................................................................ 26 ELEMENTÁRNÍ ANALÝZA............................................................................................................................ 26

STANOVENÍ UHLÍKU, VODÍKU, DUSÍKU, SÍRY A HALOGEN ............................................................................... 26 IDENTIFIKACE JEDNOTLIVÝCH SKUPIN ORGANICKÝCH LÁTEK................................................. 27

NASYCENÉ ALIFATICKÉ UHLOVODÍKY .............................................................................................................. 27 NENASYCENÉ UHLOVODÍKY.............................................................................................................................. 27 DKAZ HYDROXYLOVÉ SKUPINY ...................................................................................................................... 28

Dkaz alkohol ............................................................................................................................................ 28 Dkaz fenol ................................................................................................................................................ 28

DKAZ KARBOXYLOVÉ SKUPINY ...................................................................................................................... 28 DKAZ AMIN .................................................................................................................................................. 28

VÁŽKOVÁ ANALÝZA - GRAVIMETRIE..................................................................................................... 29 SOUIN ROZPUSTNOSTI ..................................................................................................................................... 29 OBECNÝ POSTUP VÁŽKOVÉ ANALÝZY ............................................................................................................... 30 PÍKLADY STANOVENÍ NKTERÝCH PRVK A SKUPIN ....................................................................................... 31

PROTOLYTICKÉ ROVNOVÁHY................................................................................................................... 32 ROVNOVÁŽNÉ KONSTANTY PROTOLYTICKÝCH REAKCÍ..................................................................................... 33

ODMRNÁ ANALÝZA (TITRACE) ............................................................................................................... 35 VIZUÁLNÍ INDIKACE KONCE TITRACE ................................................................................................................ 35

3

Bezindikátorové zpsoby ............................................................................................................................. 35 Za použití chemických indikátor ................................................................................................................ 36

INSTRUMENTÁLNÍ INDIKACE ............................................................................................................................. 37 Potenciometrická titrace.............................................................................................................................. 37 Konduktometrická titrace ............................................................................................................................ 37 Amperometrická titrace ............................................................................................................................... 37 Fotometrická titrace .................................................................................................................................... 38

TITRANÍ KIVKA ............................................................................................................................................. 38 Titraní kivky acidobazických titrací ......................................................................................................... 39 Píklady acidobazických titraních kivek................................................................................................... 40 Acidobazická titrace vícesytné kyseliny....................................................................................................... 42

NEUTRALIZANÍ TITRACE................................................................................................................................. 42 Acidimetrie .................................................................................................................................................. 42 Alkalimetrie ................................................................................................................................................. 43

CHELATOMETRIE .............................................................................................................................................. 43 ARGENTOMETRIE .............................................................................................................................................. 44 OXIDAN-REDUKNÍ TITRACE......................................................................................................................... 44

Manganometrie............................................................................................................................................ 44 Dichromatometrie........................................................................................................................................ 45 Bromatometrie............................................................................................................................................. 46 Jodometrie ................................................................................................................................................... 46 Titanometrie ................................................................................................................................................ 47

ELEKTROANALYTICKÉ METODY............................................................................................................. 48 POTENCIOMETRIE.............................................................................................................................................. 48

Referentní elektrody..................................................................................................................................... 48 Mrné (indikaní) elektrody ........................................................................................................................ 49 Pímá potenciometrie .................................................................................................................................. 50 Potenciometrická titrace.............................................................................................................................. 50

KONDUKTOMETRIE ........................................................................................................................................... 50 Pímá konduktometrie ................................................................................................................................. 51

ELEKTROGRAVIMETRIE ..................................................................................................................................... 51 COULOMETRIE .................................................................................................................................................. 52

Coulometrie za konstantního potenciálu (potenciostatická coulometrie).................................................... 52 Coulometrie za konstantního proudu (coulometrická titrace)..................................................................... 53

POLAROGRAFIE ................................................................................................................................................. 53 Polarizace elektrod...................................................................................................................................... 53 Klasická polarografie .................................................................................................................................. 55 Diferenní pulzní polarografie .................................................................................................................... 55 Rozpouštcí voltametrie (stripping analýza) ............................................................................................... 56

OPTICKÉ METODY ......................................................................................................................................... 57 ABSORPCE A EMISE ........................................................................................................................................... 57

ABSORPNÍ SPEKTROMETRIE (SPEKTROFOTOMETRIE) ................................................................. 58 ZDROJ ZÁENÍ U SPEKTROFOTOMETRIE............................................................................................................. 60 DETEKTOR ........................................................................................................................................................ 60 POUŽITÍ ABSORPNÍ SPEKTROFOTOMETRIE ....................................................................................................... 60

ATOMOVÁ ABSORPNÍ SPEKTROMETRIE............................................................................................. 61 ZÁKLADNÍ SCHÉMA METODY: ........................................................................................................................... 61 PRINCIP ............................................................................................................................................................. 61 ZDROJE ZÁENÍ V AAS..................................................................................................................................... 61

Výbojka s dutou katodou.............................................................................................................................. 61 Bezelektrodové výbojky................................................................................................................................ 61 Superlampy.................................................................................................................................................. 62

ATOMIZÁTORY.................................................................................................................................................. 62 Plamenová atomizace.................................................................................................................................. 62 Elektrotermická atomizace .......................................................................................................................... 62

OPTICKÝ SYSTÉM .............................................................................................................................................. 63

4

DETEKTORY ...................................................................................................................................................... 63 ATOMOVÁ EMISNÍ SPEKTROMETRIE...................................................................................................... 64

ZÁKLADNÍ SCHÉMA METODY: ........................................................................................................................... 64 PRINCIP METODY............................................................................................................................................... 64 BUDICÍ ZDROJE.................................................................................................................................................. 64

Jiskrový výboj .............................................................................................................................................. 64 Obloukový výboj .......................................................................................................................................... 64 Plazmový zdroj ............................................................................................................................................ 65

ANALYZÁTORY ................................................................................................................................................. 65 Optický spektrometr..................................................................................................................................... 65 Hmotnostní spektrometr (kvadrupólový analyzátor) ................................................................................... 65

CHROMATOGRAFIE....................................................................................................................................... 67 TEORIE SEPARACE ............................................................................................................................................. 67 PRINCIP CHROMATOGRAFICKÉ SEPARACE ......................................................................................................... 68

PLYNOVÁ CHROMATOGRAFIE (GC)......................................................................................................... 70 TEORIE GC........................................................................................................................................................ 70 USPOÁDÁNÍ GC .............................................................................................................................................. 71

Mobilní fáze – nosný plyn............................................................................................................................ 71 Kolony ......................................................................................................................................................... 71 Detektory ..................................................................................................................................................... 73

KVALITATIVNÍ ANALÝZA .................................................................................................................................. 74 KVANTITATIVNÍ ANALÝZA ................................................................................................................................ 74

KAPALINOVÁ CHROMATOGRAFIE........................................................................................................... 74 TEORIE LLC...................................................................................................................................................... 75

Stacionární fáze ........................................................................................................................................... 75 Mobilní fáze................................................................................................................................................. 76 Separované složky ....................................................................................................................................... 76

TEORIE LSC...................................................................................................................................................... 77 Stacionární fáze ........................................................................................................................................... 77 Mobilní fáze................................................................................................................................................. 78 Separované složky ....................................................................................................................................... 78

INSTRUMENTACE PRO HPLC............................................................................................................................. 79 Spektrofotometrický (fotometrický) detektor ............................................................................................... 79 Fluorimetrický detektor ............................................................................................................................... 79 Voltametrický detektor................................................................................................................................. 80

OSTATNÍ CHROMATOGRAFICKÉ METODY ........................................................................................... 80 GELOVÁ PERMEANÍ CHROMATOGRAFIE (GPC) ............................................................................................... 80 IONTOVÁ CHROMATOGRAFIE (IC) ..................................................................................................................... 80 CHROMATOGRAFIE NA TENKÉ VRSTV (TLC)................................................................................................... 82

CHEMICKÝ A FYZIKÁLNÍ ROZBOR VODY ............................................................................................. 83 PITNÁ VODA ...................................................................................................................................................... 83 POVRCHOVÁ VODA ........................................................................................................................................... 83 ODPADNÍ VODA ................................................................................................................................................. 83 STANOVENÍ JEDNOTLIVÝCH UKAZATEL VOD................................................................................................... 84

Senzorické vlastnosti vody ........................................................................................................................... 84 Souhrnné ukazatele jakosti vody.................................................................................................................. 85 Metody stanovení anorganických plyn ve vod ......................................................................................... 86 Metody stanovení kov ve vodách ............................................................................................................... 87 Metody stanovení anorganických aniont ve vodách .................................................................................. 89

ANALÝZA POLUTANT V OVZDUŠÍ.......................................................................................................... 90 SLOUENINY SÍRY ............................................................................................................................................. 90

SO2 – oxid siiitý ........................................................................................................................................ 90 SO3 – oxid sírový ......................................................................................................................................... 91

5

H2S – sulfan ................................................................................................................................................. 92 SLOUENINY DUSÍKU ........................................................................................................................................ 92

NOx – oxidy dusíku ...................................................................................................................................... 92 NH3 – amoniak ............................................................................................................................................ 93

CO – OXID UHELNATÝ....................................................................................................................................... 93 LEHKÉ UHLOVODÍKY (C1 AŽ C4) ....................................................................................................................... 94 POLYCYKLICKÉ AROMATICKÉ UHLOVODÍKY (PAU) ......................................................................................... 94 PRACHOVÉ ÁSTICE .......................................................................................................................................... 94 SLOUENINY FLUORU ....................................................................................................................................... 94

ANALÝZA PD.................................................................................................................................................. 95 PRINCIPY CHEMICKÝCH ROZBOR ZEMDLSKÝCH PD ................................................................................... 95

Základní pdní parametry ........................................................................................................................... 95 Stanovení stopových živin............................................................................................................................ 96 Stanovení cizorodých látek .......................................................................................................................... 96 Stanovení oxidovatelného uhlíku ................................................................................................................. 97 Stanovení celkového dusíku ......................................................................................................................... 97 Stanovení potenciální kationtové výmnné kapacity.................................................................................... 97

ANALÝZA ODPAD......................................................................................................................................... 98 VYHLÁŠKA . 383/2001 SB. MINISTERSTVA ŽIVOTNÍHO PROSTEDÍ O PODROBNOSTECH NAKLÁDÁNÍ S ODPADY.......................................................................................................................................................................... 98

Hodnocení vyluhovatelnosti odpad............................................................................................................ 98 Píprava a analýza vodného výluhu ............................................................................................................ 98 Píloha . 6 k vyhlášce . 383/2001 Sb. ....................................................................................................... 99

ZPSOBY MENÍ NEZNÁMÝCH VZORK........................................................................................... 100 ABSOLUTNÍ METODY....................................................................................................................................... 100 RELATIVNÍ (SROVNÁVACÍ) METODY................................................................................................................ 100

Metoda kalibraní kivky........................................................................................................................... 101 Metoda standardního pídavku.................................................................................................................. 102

VYHODNOCENÍ ANALYTICKÝCH MENÍ .......................................................................................... 104 SPRÁVNOST A PESNOST MENÍ .................................................................................................................... 104 UVÁDNÍ VÝSLEDK MENÍ.......................................................................................................................... 104 NEJISTOTA MENÍ A PODSTATA JEJÍHO VYHODNOCENÍ .................................................................................. 105

6

Analytická chemie - úvod - vdní obor, zabývající se poskytováním informací o chemickém složení hmotných

objekt. Využívá k tomu poznatk z obecné, anorganické i organické chemie, fyziky, biologie i matematiky.

Souhrn všech prostedk, souvisejících se získáním informací, se oznauje jako analytický systém. V rámci tohoto systému se realizuje analytický proces. Ten mžeme charakterizovat jako adu operací, které mají logicky podmínné poadí a tvoí informaní etzec, na jehož zaátku je objekt a na konci požadovaná informace.

Obr. Schéma analytického systému (ást ohraniená perušovanými arami pedstavuje

analytický proces) Dležité je, aby úkol, který nezídka zadávají neanalytici, byl správn formulovaný.

Správná formulace analytického zadání je rozhodující pro získání optimálních informací v rozumném ase pi únosných ekonomických nákladech.

Analytický experiment má 4 úrovn: a) princip experimentu, který zahrnuje jednotlivé disciplíny analytické chemie,

vhodné k získání informace, jako jsou nap. spektroskopie, elektroanalýza apod. b) metoda experimentu, tj. pístrojovou technikou definovaná užší oblast

disciplíny, nap. atomová absorpní spektrometrie, polarografie apod. c) analytický postup, který mžeme charakterizovat jako metodu použitou pro

konkrétní typ materiálu, nap. stanovení Ca ve vod AAS, polarografické stanovení Cd v biologickém materiálu apod.

d) pracovní návod, což je podrobn popsaný sled pokyn pro praktické provedení analytického postupu, nap. návod pro stanovení Ca AAS podle normy.

Produktem analytického experimentu je analytický signál. Má vtšinou fyzikální

charakter (hmotnost, objem, naptí, proud, svtelný tok) a je zatížen tzv. šumem. Zdrojem šumu jsou náhodné jevy, jejichž píinu asto nemžeme vysvtlit, mžeme je ale kvantifikovat. Abychom mohli uinit závr o pítomnosti i nepítomnosti urité složky ve vzorku, musíme nalézt takové podmínky, aby hodnota signálu pevyšovala hodnotu šumu. V kvantitativní analýze navíc musíme nalézt takový signál, který je závislý na obsahu i koncentraci složky ve vzorku.

7

Výsledkem analytického procesu je analytická informace, která se získá vztažením signálu ke všem fázím analytického procesu a je pedána zpt k zadavateli. Jestliže analytická informace slouží k ízení a kontrole technologického procesu, rozdlujeme používané metody na provozní, kontrolní a rozhodí.

Provozní metody, používané pi každodenní kontrole výroby, musí být jednoduché a rychlé. Pitom postaí taková spolehlivost výsledk, jaká zaruuje, že sledované parametry se udržují v mezích požadovaných technologickými pedpisy.

Kontrolní metody, požadavky na spolehlivost jsou vtší, nebo výsledky analýz hodnotí kvalitu a rozhodují o cen suroviny nebo výrobku.

Rozhodí analýzy, nepísnjší požadavky na výsledek. Jimi nalezené výsledky jsou podkladem pi ešení odbratelsko-dodavatelských spor.

Rozdlení analytických metod 1. podle zpsobu vyhodnocení analytického signálu

kvalitativní analýza – dokazujeme, ze kterých souástí (prvk, iont, skupin nebo slouenin) se analyzovaná látka skládá kvantitativní analýza – stanovujeme obsah pítomných složek (g, %, ppm) tzv. koncentraní závislost

2. podle povahy stanovované látky anorganická analýza (analýza všech prvk krom C)

organická analýza (C, H, O, N)

3. podle zpsobu tvorby analytického signálu chemické – usuzuje se na pítomnost a množství prvk nebo slouenin ve vzorku podle prbhu chemických reakcí mezi urovanou látkou a látkou pomocnou, inidlem (odmrná analýza, gravimetrie) fyzikáln chemické a fyzikální (instrumentální) – k urení látek se používají pístroje a zaízení, na jejich principu se však mže podílet i chemická reakce (potenciometrie, konduktometrie, spektrofotometrie) biochemické – využívají k urování látek mikroorganism, které chemicky mní urovanou látku nebo jejichž innost urovaná látka ovlivuje

4. podle množství analyzované látky

makroanalýza (10 až 0,1 g) semimikroanalýza (0,1 až 0,01 g) mikroanalýza (10 až 1 mg) ultramikroanalýza (g a ng)

5. podle skupenství analýza plyn, kapalin, roztok a tuhých látek, pop. povrch tuhých látek

8

Dležité pojmy v kvalitativní a kvantitativní analýze Dkaz – souvisí s urením druhu neboli kvality. Je založen na pozorování výsledku

interakce urované složky (analytu) s vhodným inidlem (reagentem). inidlo – u chemické analýzy jím je pomocná látka nebo její roztok, která jednoznan

reaguje s dokazovanou složkou pítomnou ve vzorku. U metod fyzikální analýzy je inidlem uritý druh energie (záivá energie).

Stanovení – souvisí s urováním množství neboli kvantity souástí obsažených v analyzované látce.

Identifikace – kvalitativní urení chemického individua nejastji v organické analýze pomocí standardu.

Prvková (elementární) analýza – zjišuje prvkové složení vzorku. Funkní analýza – pomáhá nám stanovit nebo dokázat charakteristická seskupení

atom v molekule, tzv. funkní skupiny. Konstituní analýza – zabývá se urením strukturního vzorce bez ohledu na prostorové

uspoádání molekuly. Strukturní analýza – vedle konstituce zjišuje i konfiguraci, pop. konformaci látky.

Ve smsi složek mžeme chemické nebo fyzikální vlastnosti jednotlivé složky,

projevující se pi interakci s inidlem, sledovat tím spolehlivji, ím více se tato složka odlišuje od ostatních pítomných složek, tj. ím vtší je selektivita zvolené metody. Z tohoto hlediska všeobecn rozlišujeme analytické metody selektivní (AAS) a neselektivní (konduktometrie). Podobn je tomu u metod založených na chemických reakcích, kde rozlišujeme metody i reakce skupinové, selektivní a specifické.

Skupinové reakce – umožují v kvalitativní analýze pomocí skupinových inidel dokazovat pítomnost celé skupiny píbuzných látek, pop. je oddlovat od ostatních složek analyzované smsi.

Selektivní reakce – umožují stanovit nebo dokázat jednu složku ve vymezené smsi jiných látek. Nap. v roztoku smsi kation Pb2+, Cd2+, Ni2+ a Zn2+ lze selektivn dokázat ion nikelnatý reakcí s roztokem amoniaku, protože v tomto pípad jako jediný poskytuje mode zbarvený amminkomplex.

Specifická reakce - vhodnou úpravou reakních podmínek nebo používaného zaízení se mže zvýšit selektivita reakce nebo metody tak, že se piblížíme ideálu, kterým je specifická reakce (metoda). Ta umožuje stanovit uritou látku v libovolné složité smsi, nap. reakce Ni2+ s diacetyldioximem (2, 3- butandiondioximem) pi pH>6 za vzniku málo rozpustného erven zbarveného komplexu.

Mez detekce – nejmenší množství látky, které lze uritou metodou zjistit. V kvantitativní analýze je mez detekce definována jako slepý pokus plus trojnásobek smrodatné odchylky slepého pokusu. Tuto hodnotu ovlivuje složení matrice vzorku, istota používaných chemikálií nebo náhodné jevy jako jsou kolísání teploty a tlaku v laboratoi, i kolísání elektrického naptí v síti pi použití pístroj.

Mez stanovitelnosti – nejmenší množství látky, které mže být stanoveno s pijatelnou úrovní opakovatelnosti a pravdivosti. Je definována jako hodnota koncentrace analytu plus desetinásobek smrodatné odchylky slepého pokusu. Oznauje se jím nejmenší množství látky, které je možné uritým analytickým postupem stanovit.

Citlivost metody – je sklon kivky odezvy, lze jí vyjádit smrnicí závislosti y = f (c). ím více se mní mená veliina x se zmnou urované hmotnosti m nebo koncentrace c, tím vtší je citlivost analytického postupu.

9

Správnost – znamená shodu nalezeného výsledku stanovení se skuteným obsahem hledané složky.

Pesnost – znamená reprodukovatelnost opakovaných stanovení složky ve stejném vzorku. Pesná metoda poskytuje výsledky o malém rozptí. Rozptí je rozdíl nejvyšší a nejnižší hodnoty ze série stanovení. Mírou pesnosti jsou opakovatelnost a reprodukovatelnost. Pesnost je uvádna ve form smrodatné odchylky nebo relativní smrodatné odchylky.

Opakovatelnost – poskytuje pedstavu o variabilit, kterou lze oekávat, je-li metoda používána jedním analytikem na stejném pístroji v krátkém asovém sledu.

Reprodukovatelnost – pokud se vzorek analyzuje pro srovnání v nkolika laboratoích v delším asovém období, pak je úelnjší mírou pesnosti reprodukovatelnost.

Spolehlivost – charakterizuje mení, která jsou správná a pesná. Nejistota – je to samostatný parametr (obvykle smrodatná odchylka nebo konfidenní

interval), vyjadující rozsah hodnot, které mohou odpovídat výsledku mení. Odhad nejistoty mení bere v úvahu všechny poznané vlivy, které ovlivují výsledek mení.

Odbr a úprava vzork

Odbr Má-li mít analýza praktický význam, musí být provedena na prmrném nebo tzv.

reprezentativním vzorku, který musí obsahovat všechny souásti, a to v takovém hmotnostním i objemovém pomru, v jakém jsou v dané látce pítomny. Z tohoto vzorku se pipravuje analytický vzorek.

Zpsob odebírání prmrného vzorku je uren platnými normami nebo je dán dohodou mezi píjemcem a dodavatelem. Velikost vzorku není libovolná. Pi urování zpsobu odbru i velikosti vzorku musíme brát v úvahu tyto okolnosti:

− pomrné zastoupení sledované složky ve vzorku (hlavní, vedlejší i stopová) − pracovní rozsah použité analytické metody − minimální látkové množství nebo hmotnost, které musí být k dispozici pi mení

s ohledem na mez detekce − typ materiálu (chemické složení matrice) a jeho homogenita

Pi rozhodování mže být volba postupu vzorkování ovlivnna homogenitou, stabilitou

materiálu, požadavky na spolehlivost výsledných dat, na náklady na poízení vzorku, bezpenostními podmínkami vzorkování, dále dostupností a kvalitou odbrného zaízení, zpsobem je dekontaminace a zásadami pro jeho použití.

Smyslem procesu vzorkování je definovat, ovovat, pop. kontrolovat platnost uritého tvrzení, pedpokladu apod. Vzorkování je operací, pi které získáváme informace o vzorkovaném celku pomocí výbru charakteristik celku – vzork.

Obecn lze uvažovat tyto základní cíle spojené se vzorkováním: – charakteristika jakosti – odbr vzork a zkoušky se provádjí, aby se na základ

stanovení uritého ukazatele definovaly vlastnosti daného objektu, používají se k zjištní jakosti, pípadn v rámci výzkumného úkolu k úelm dlouhodobé kontroly, nebo zjištní dlouhodobých trend

– ízení jakosti - odbr vzork a zkoušky se provádjí, aby poskytovaly informace o vývoji posuzovaného jevu (sledování kontaminace podzemních vod, hodnocení úinnosti istírny odpadních vod) a na jejich základ jsou pijímána

10

odpovídající opatení, používána místními orgány k rozhodnutí, zda je teba uložit opatení k náprav závadného stavu

– hledání souvislostí mezi jevy – odbr vzork a zkoušky se provádjí pro konkrétní specifické úely (vyhledávání píiny výskytu daného znaku ve vzorkovaném celku), identifikace zdroj zneištní

Ped zahájením procesu vzorkování je nezbytné definovat požadavky na jakost prací,

konkrétní úel vzorkování, odpovídající poet vzork umístných ve vhodném uspoádání, pracovní postup pi odbru vzorku, použití vhodných vzorkovnic a uchovávání vzorku. Z tchto informací se vypracuje Plán vzorkování, v nmž jsou detailn popsány a zdvodnny jednotlivé kroky vzorkovacího procesu. Tabulka s doporueným lenním Plánu vzorkování Tématické ásti plánu vzorkování Kapitoly plánu vzorkování

Cíl, úel prací Zadání podmínek vzorkování, popis obecných informací Informace o zájmové lokalit, o

vzorkovaném objektu Urení schématu vzorkování Hmotnost, pípadn objem dílího vzorku Typ vzorkovae a typ vzorkovnice Popis zpsobu odbru dílích vzork Postup úpravy vzork Velikost laboratorního vzorku

Popis postupu vzorkování

Materiální zabezpeení odbru vzork Opatení k zajištní kvality vzorkování Urení odpovdnosti za prbh vzorkování a personálního zabezpeení vzorkování Výbr laboratoe

Specifikace požadavk k zajištní jakosti a bezpenosti vzorkování a následných zkoušek

Ochrana zdraví a zásady bezpenosti práce

Realizace konkrétního odbru vzork se obecn skládá ze tí fází: 1. pípravná ást – seznámit se s plánem vzorkováním, vyhodnotit požadavky na

pracovníky, zaízení a pomcky nutné pro odbr vzorku, provést kontrolu provozuschopnosti odbrového zaízení a jeho dekontaminace

2. vlastní odbr – je nezbytné, aby vzorkovací práce byly provádny s vdomím a souhlasem zadavatele. Pracovníci zajišující vzorkování musí mít nezbytná povolení ke vstupu. Odpovdný pracovník provádjící vzorkování oví, zda podmínky vzorkování souhlasí se zadáním, oví splnní podmínek ochrany zdraví a bezpenosti práce. V pípad, že podmínky bezpenosti práce a ochrany zdraví nejsou zajištny, práce nesmí zahájit. Vlastní odbr vzorku je provádn podle zpracovaného plánu vzorkování. Nezbytnou souástí odbru vzorku je protokol o odbru. Jeho náležitosti jsou popsány v technických normách.

3. uchování vzorku a transport do laboratoe

Protokol zahrnující výsledky vzorkování musí, pokud je to potebné pro interpretaci výsledk, obsahovat:

– datum odbru vzork – jednoznanou identifikaci vzorkované látky, matrice, materiálu nebo produktu

11

– místo odbru vzork vetn pípadných diagram, nákres nebo fotografií – odkaz na použitý vzorkovací plán – podrobnosti o podmínkách okolního prostedí, které by mohly ovlivnit

interpretaci – urení metody nebo postupu vzorkování – pípadnou normu nebo jinou specifikaci metody vzorkování a pípadné

odchylky, rozšíení nebo zúžení dokumentovaného postupu

Odbr vzork musí provádt osoba zpsobilá po odborné, technické a zdravotní stránce pro odbr vzork.

Vzorkování ovzduší

Vzorkování vnjšího ovzduší Vnjším ovzduším se rozumí ovzduší v troposfée, s výjimkou ovzduší na pracovištích

urených zvláštním právním pedpisem a v uzavených prostorách. Vzorek ovzduší je odebírán pomocí kontejneru automatického imisního monitoringu,

kde vzorek ovzduší je sondou veden pímo do analyzátoru a stanoven vtšinou pomocí elektrochemických metod. Dále se vzorky ovzduší analyzují pomocí manuálních nebo poloautomatických kontejner, kdy se stanovují základní škodliviny, tžké kovy a organické látky. Do této skupiny mení patí nejen suchá, ale i mokrá depozice a chemický rozbor srážek.

Vzorek ovzduší se odebírá v pípad manuálních stanic sklenným manifoldem z borosilikátového skla, u ostatních vzorkova je odbr ízen odbrovým zaízením tak, jak vyžadují podmínky odbru. Sklenným manifoldem se v souasné dob odebírají vzorky ke stanovení NO2 a SO2. V ekologicky istých oblastech (NP, CHKO…) se zavádí i vzorkování SO2, Nox a benzenu pomocí pasivních dozimetr. Jde o doplková mení, která slouží k dlouhodobému sledování kvality ovzduší a jeho vývoje.

Základním krokem pro odbr vzorku je výbr vzorkovacího místa. Uruje jej nejen Naízení vlády, ale i provozní ád imisní sít eského hydrometeorologického ústavu a nkteré další specielní požadavky jsou specifikovány ve vlastní metod odbru a stanovení.

Imisní zneištní ovzduší je vyjádeno hmotnostní koncentrací zneišující látky nebo stanovené skupiny zneišujících látek. Pro analýzu plyn a par jsou používány následující techniky:

1. záchyt do absorpní kapaliny – používají se sklenné nebo plastové fritové absorbéry (promývaky) rzného provedení nebo kapilární absorbéry (impingery) mnohdy zapojených do série v potu dvou nebo i více kus. Nejastjší objem je 100 a 250 ml a obvykle se plní 50 až 100 ml absorpního roztoku. Odbrová rychlost se ídí metodou stanovení, pedpokládanou koncentrací i konstrukcí absorbéru a bývá obvykle 200 až 2000 ml.min-1.

2. záchyt adsorpcí – používají se sklenné trubice plnné sorbetem vhodným k adsorpci sledované látky. Nejastji se používá aktivní uhlí k záchytu tkavých organických látek od nepolárních až po stedn polární, polární sorbety k záchytu polycyklických aromatických uhlovodík atd.

3. záchyt chemisorpcí na upravené filtry – filtry (sklo, celulóza, teflon) se opatují povlakem chemické látky k selektivní sorpci.

12

4. odbr do vzorkovnic – vzorkovnice jsou nejastji válcovité sklenné nádoby opatené na obou protilehlých koncích jedno nebo vícecestnými ventily a dále septem. Slouží nejastji k odbru vzork hlavních složek odpadních plyn o vyšším obsahu nevyžadujícím zkoncentrování k jejich následnému stanovení metodou plynové chromatografie. Bžn mají objem od 100 do 2000 ml a plní se nejastji nasáváním pomocí erpadla. Poslední dobou se využívá plastových vak. Jejich výhodou je velký objem (až desítky litr) umožující pi ízené odbrové rychlosti odebírat prmrné vzorky za delší vzorkovací dobu.

Obr. Vzorkovací plynomrná pipeta Pro záchyt prachu a aerosolu se používá záchyt na filtry. Nejbžnjší je záchyt pi

použití rzných filtraních materiál: filtry ze sklenných a kemenných mikrovláken, organických mikrovláken, estery celulózy, PVC, teflon…K separaci velikosti ástic slouží rzné cyklony, kaskádové impaktory, polyuretanové filtry apod. Nesmírn dležitý je výbr držák filtr.

Odbr kapalných vzork Kapalné vzorky se odebírají snadnji než vzorky pevné. Vzorek kapaliny vytékající

nap. z cisterny se odebírá vhodnou nádobou v pravidelných asových intervalech. Dílí vzorky se spojí, promíchají a odebere se asi tylitrový konený vzorek. V jiném pípad se odebírá nepetržit trubikami napojenými pímo na hlavní výtokové potrubí. Pi odebírání vzork z rzných míst nap. rybník, ek, se používá prázdných zatížených lahví, které se spustí do píslušné hloubky. Tam se láhev opatená vhodným zaízením oteve, po naplnní se opt uzave a vytáhne se z kapaliny.

Obr. Vzorkovací zaízení pro automatický odbr kapalných vzork

13

Vzorkování povrchových vod Vzorkováním povrchových vod se obecn rozumí soubor inností, jejichž cílem je odbr

reprezentaního podílu vodního útvaru, nebo jiné složky prostedí (vody, naplavenin, sedimentu, biologického materiálu) ke stanovení rzných pesn definovaných ukazatel jakosti.

Krom odbr vzork vody se vzorkování povrchových vod týká také odbru biologických a pevných materiál z vodního prostedí (odbry pentosu, biosestonu, plavenin a sediment). Každý z tchto odbr má adu specifických požadavk.

Požadavky na vzorkování se liší podle charakteru povrchové vody. Základní rozdlení je:

– vodní toky – tekoucí vody = eky, potoky, kanály – vodní nádrže – stojaté vody = jezera, pehrady, rybníky – moe a oceány – ledovce

Místo odbru

Obecn platí, že složení vody v toku i nádrži je v rzných místech rzné. Platí to nejen v podélném, ale vtšinou i v píném profilu, u nádrží a u všech tok i vertikáln. Podle místních podmínek jsou zmny pro rzné jakostní ukazatele rzn významné. Urení místa odbru se liší pro toky a nádrže.

Pro toky zpravidla požadujeme, aby místo odbru reprezentovalo celý prtoný profil. Pro odbr jsou vhodná místa s turbulentním proudním. Vzorek se odebírá v proudnici v míst, kde protéká nejvíce vody. Zpravidla se odebírá jako hladinový (od hladiny do hloubky cca 30 cm). K odbru jsou vhodné mosty, vorové propusti. Pokud se odebírá vzorek ze behu, je u širších tok nutno urit beh. U ek se volí místo, kde se proudnice blíží k behu.

Pi vzorkování nádrží rozhoduje krom velikosti nádrže i úel vzorkování. Pro úely rekreace mže „postaovat“ odbr vzorku u behu u pláže, pro úely odbru vody odbr vzorku v míst odbru. Pro hodnocení jakosti vody v nádrži nejsou odbry ze behu reprezentativní. Používá se odbr z lod v podélném i píném profilu, buto jako ada prostých vzork, nebo se vytvoí smsné vzorky viz. poznámka. U hlubších nádrží se krom hladinového odebírají i hlubinné (zonaní) vzorky.

Poznámka: Prostý vzorek – jednorázový nahodile odebraný vzorek. Smsný vzorek – nepetržit odebírané (kontinuální) vzorky, které poskytují údaje o prmrném složení.

Požadavky na technické vybavení pro vzorkování vychází z požadovaného typu odbru a požadavk laboratoe na objem vzorku a rozsah analýz.

K odbru vzork slouží odbrové zaízení (vzorkova) nebo lze vzorek odebrat pímo do vzorkovnice. Hlavní požadavek na materiál vzorkovae je stejný jako u vzorkovnice – nesmí ovlivnit složení vzorku ve stanovovaných parametrech. Další požadavky kladené na vzorkova jsou spolehlivost, robustnost, snadná údržba (snadné ištní) a obsluha (za rzných povtrnostních podmínek). Pro zonaní odbry se používá hlubinný vzorkova, kterého jsou vyrábny desítky typ. Podle toho, jestli prostor pro vzorek pichází do styku s vodou bhem ponoru do urené hloubky, se dlí na proplachované a neproplachované.

Neproplachované vzorkovae se ponoí uzavené a otevou se v urené hloubce. Pracují na principu vytsnní vzduchu, rozpínání komory nebo nasátí vody pístem v urené hloubce. Stny vzorkovae, které jsou ve styku se vzorkem, nepišly do styku s vrstvami vody nad vzorkem.

14

Proplachované vzorkovae se ponoí otevené a v urené hloubce se zavou (trhnutím nebo spuštním závaží). Prostor pro vzorek prochází od hladiny po urenou hloubku celým vodním sloupcem. Tím mže dojít ke kontaminaci vzorku vodním filmem na hladin nebo látkami ve vodním sloupci nad vzorkem.

Další možností odbru vzork z hloubky je použití erpadla.

Vzorkování odpadních vod Vzorkování odpadních vod a kal patí mezi velmi frekventovanou innost provádnou

vodohospodáskými laboratoemi, pípadn jinými subjekty. Sledováním jakosti vod se zabývají jak jejich producenti a technologové istíren odpadních vod, tak kontrolní orgány.

Cílem odbru odpadních vod bývá obvykle zjištní koncentrace vybraných ukazatel v uritém asovém intervalu, nebo její okamžitá hodnota v ase, vždy v uritém míst. Tyto hodnoty slouží bu k ovování úinnosti ištní odpadních vod, k ízení procesu ištní nebo ke kontrole dodržování povolených limit.

Ke vzorkování odpadních vod se používají stejná vzorkovací zaízení a vzorkovnice jako k odbru povrchových vod.

Vzorkování odpad Vzorkování odpad se ídí provádcími vyhláškami zákona . 185/2001 Sb. O odpadech

a o zmn nkterých dalších zákon a metodickými pokyny MŽP. Na poátku hodnocení nebezpených vlastností odpad patily mezi nejvíce vzorkované

odpady popílky ze spalování uhlí a slévárenské písky. V souasné dob mezi nejastji vzorkované odpady mžeme zaadit kaly z nejrznjších istíren odpadních vod, zeminy a sut z demolic, popeloviny ze spaloven odpad a sedimenty z rybník a ostatních nádrží. Obecn platí, že pokud se odebírá vzorek, který reprezentuje produkci za urité asové období, mlo by se upednostovat vzorkování v pohybu (dynamické) ped vzorkováním v klidu (statické).

Popílky ze spalování uhlí Slévárenské písky Kaly z istíren odpadních vod Zeminy a sut Popeloviny ze spaloven odpad Sedimenty z rybník Odbr vzork odpad pro hodnocení jejich vyluhovatelnosti a stanovení obsahu

škodlivin v sušin se musí zásadn provádt tak, aby odebrané vzorky byly reprezentativní pro celé množství posuzovaného materiálu. Pitom je teba pihlédnou k homogenit a konzistenci vzorkovaného odpadu. Hmotnost laboratorního vzorku by mla init alespo 2 kg.

Pi velkých dodávkách se vzorky odebírají mechanicky nebo run, a to pi nakládání nebo pi vykládání materiálu. Z transportního pásu se bere vzorek v pravidelných intervalech v celé šíi pásu.

15

Z hrub kusového nebo nestejnorodého materiálu se odebere vzorek, který odpovídá 1 až 2 % z celkového množství. Z homogenního drobn kusovitého, pop. zrnitého nebo práškového materiálu se odebírá vzorek v množství asi 0,1%. Z práškového materiálu se odebírají vzorky jednoduchým zpsobem. Je-li materiál uložen na hromadách, použije se vzorkovae, kterým mže být i trubice o prmru 5 cm, dlouhá až 1,5 m, která se zaráží do rzných míst hromady až ke dnu a obsah se vždy vyklepne na rovnou vzorkovací desku.

Obr. Vzorkova sypkých materiál

Uchovávání odebraných vzork Odebrané vzorky se nejastji uchovávají ve sklenných, kovových nebo plastových

dobe uzavíratelných obalech. Obal nesmí kontaminovat vzorky (nap. vyluhování skla alkalickými kapalinami, korozí kovových obal). Nkteré typy vzork nelze uchovávat neomezen dlouhou dobu, nebo se jejich vlastnosti mohou asem mnit. Typickým píkladem jsou vzorky vod, u nichž je stanovení nkterých ukazatel nutné v co nejkratší dob po odbru. Zvláštní pozornost je teba vnovat i možné sorpci zejména stopových složek v kapalných vzorcích na stnách nádob.

Úprava vzork Zpsob úpravy vzorku k analýze záleží na požadované informaci a použité analytické

metod. Požaduje-li se informace o složení povrchu, vzorek se analyzuje bez jakékoliv úpravy. Nkdy je poteba vzorek pevést do roztoku bez chemických zmn použitím nereaktivních rozpouštdel nebo za pomocí chemických zmn reaktivními rozpouštdly. Ped vlastním rozkladem vtšinou musíme tuhý vzorek kvartovat, drtit, prosívat. Po tchto úpravách získáme analytický vzorek, který mžeme snadnji rozkládat.

Mezi mechanické úpravy patí: drcení, mletí, roztírání. Drcení nejastji provádíme v Plattnerov hmoždíi. K mletí se používají laboratorní kulové mlýny a pro roztírání tecí misky, které mohou být porcelánové, ocelové i achátové. Kvli kontaminaci musíme zvážit použití jednotlivých pomcek (nap. z drti s elistmi z manganové oceli se vzorek kontaminuje manganem, z achátové misky se dostává do vzorku oxid kemiitý apod.).

16

Obr. Kvartace

Obr. Plattnerv hmoždí a achátová tecí miska

Pevádní anorganických látek do roztoku Podle povahy analyzovaného materiálu se analyticky upravený vzorek rozpustí za chladu nebo za zvýšené teploty ve vod, v kyselinách, zásadách, pop. v roztocích solí. Pokud se vzorek v tchto inidlech nerozpouští, rozkládá se tavením s vhodnými písadami, tzv. tavidly, která jej pevádjí na sloueniny rozpustné ve vod nebo v kyselinách.

Rozpouštní v nereaktivních rozpouštdlech Ve vod se rozpouští ada anorganických i organických látek iontové povahy

(pedevším solí) nebo látek polárních. Slab polární nebo nepolární organické látky se rozpouštjí v široké škále organických rozpouštdel rzné polarity podle pravidla „podobné rozpouští se v podobném“. Nejastji používanými rozpouštdly jsou nižší alkoholy, diethylether, aceton, dioxan, chloroform, tetrachlormethan nebo kapalné alifatické i aromatické uhlovodíky.

Rozpouštní v reaktivních rozpouštdlech a) kyselinami a hydroxidy b) tavením c) jiné zpsoby rozkladu

17

Rozklady kyselinami a hydroxidy 1. Kyselina chlorovodíková

Používá se nejastji k rozkladu vzork, jež nevyžadují pítomnost oxidovadla. Výhodou je snadná odpaitelnost a rozpustnost vzniklých chlorid ve vod. Rozpouští se v ní kovy, které mají záporný redoxní potenciál (Zn, Cd, Fe), dále slitiny Fe s Co, Ni a soli slabých kyselin (boritany, fosforenany, uhliitany aj.), hydrolytické produkty (SbOCl, BiOCl), karbonátové horniny a rudy (vápenec, dolomit, ocelek), rudy oxidické (kov Fe, Mn…). Dále nkteré silikáty a slitiny kov s malým obsahem As, Sb a P.

222 HMHM II +→+ ++

++ +→+ 2

323 326 MXHHXM II

2. Kyselina fluorovodíková Kyselinou fluorovodíkovou se rozkládají všechny silikáty (za pítomnosti jiných kyselin H2SO4, HNO3 nebo HClO4) za uvolnní plynného SiF4:

OHSiFHFSiO 242 24 +→+ Kyselina sírová váže vznikající vodu, a tím zamezuje hydrolýze SiF4 a posunuje rovnováhu reakce doprava.

3. Kyselina sírová Zedná se chová podobn jako HCl. Používá se k rozpouštní mén ušlechtilých kov, solí slabých kyselin a hydrolytických produkt. Koncentrovaná má již vtší oxidaní úinky a slouží k rozpouštní ušlechtilejších kov a jejich slitin.

4. Kyselina dusiná Zedná a zejména koncentrovaná kyselina dusiná má silné oxidaní úinky, jichž se využívá pi rozkladech, kdy je oxidace žádoucí. Slouží pedevším k rozpouštní vtšiny kov (mimo Au a platinových kov), slitin Bi, Cd, Cu, Pb, Fe-Mn, Fe-P, jakož i rud Cu, Mo, Co, Ni aj. Nkteré kovy (Al, Cr, Fe) se koncentrovanou kyselinou pasivují.

OHNOMHNOM II2

23 423823 ++→++ ++−

5. Kyselina chloristá Zedná má jen slabé oxidaní úinky, a tak mže pi rozkladu nahradit zednou HCl nebo H2SO4. Koncentrovaná kyselina (asi 72% ní) je však za zvýšené teploty silným oxidovadlem. Používá se k rzným oxidaním rozkladm, nap. k rozpouštní oceli pi stanovení Cr, Si, V, P, pro rozklad kovových karbid. Rozklady kyselinou chloristou jsou výhodné, protože vtšina kovových chloristan je velmi dobe rozpustná ve vod. Práce s koncentrovanou kyselinou vyžaduje ale velkou opatrnost, nebo pi nesprávném zacházení mže dojít k prudkým výbuchm.

18

6. Ostatní kyseliny a jejich smsi HBr + Br2 – rozklad slitin Fe-Mo, Fe-Si HCl + Br2 – rozklad kov, slitin a sulfidické rudy s malým obsahem síry Luavka královská, tj. sms HCl a HNO3 (3+1) nebo obrácená luavka – rozklad ušlechtilých kov, jako je Au, Hg, kov platinové skupiny a jejich slitin, dále rud Hg. W a také sulfidických rud, fosfid, arsenid a kovových antimonit.

[ ]

[ ] [ ]−−−

+−

+→++

+→+

+→++

64223

2

2

2388

2223

SbClClMClClSbM

NOHgClNOClHg

HAuClHClClAu

IIII

7. Roztok alkalického hydroxidu Používá se zejména k rozkladu lehkých slitin (Al, Zn, Si a Mg) ve form 35%ního roztoku NaOH nebo KOH. Uvedené kovy pecházejí na rozpustné hlinitany, zinenatany apod. Ale hoík spolu s pítomnými tžkými kovy poskytne nerozpustný hydroxid.

[ ]222

242

)(2

3)(2622

HOHMgOHMg

HOHAlOHOHAl

+→++→++ −−

Rozklady tavením K rozkladu na suché cest, tj. k tavení nebo slinování vzorku s tuhými inidly, pistupujeme tehdy, nemžeme-li vzorek rozložit inidly na mokré cest. Jednotlivé složky vzorku se pevádjí na sloueniny, které jsou již rozpustné ve vod nebo ve zedných kyselinách.

1. Alkalické tavení a) karbonátové – tavidlem je bezvodý Na2CO3 nebo sms Na2CO3 + K2CO3. Slouží

k rozkladu kemiitan, síran, pop. ke konverzi jiných nerozpustných solí.

323323 SiONaCOMCONaSiOM IIII +→+

b) s alkalickým hydroxidem – nejastji se používá NaOH nebo KOH. Hydroxidové tavení je úinnjší než karbonátové. Slouží k rozkladu oxidickýck rud Sb, Sn, Zr atd.

c) síroalkalické – jako tavidlo se používá sms Na2CO3 a síry v takovém pomru, aby vznikl alkalický polysulfid (1:1). Tímto tavením se rozkládají sloueniny a rudy cínu, antimonu a arsenu, jejichž sulfidy poskytují tavením rozpustné polysulfidy.

2424332

2423232

42942

43104

COSONaSbSNaSCONaSb

COSONaSNaSCONa

++→++++→+

d) alkalicko-oxidaní – tavidlem je sms Na2CO3 (K2CO3) + KNO3 (KClO3) nebo NaOH

+ Na2O2, které je jedním z nejúinnjších zpsob rozkladu minerál.

19

2. Kyselé tavení a) disíranové – tavidlem je K2S2O7, pop. KHSO4, který po zahátí nad teplotu tání

pechází na disíran. Dalším zvýšením teploty se uvolní SO3, který pevádí oxidy typu MO, M2O3 a MO2 na rozpustné sírany. Používá se i k rozkladu hlinitan, spinel, rud obsahující Cu, Ni, Ti apod. Tavenina se vyluhuje horkou vodou.

42247222 2)(2 SOKSOTiOSKTiO +→+

b) s oxidem boritým, pop. kyselinou boritou nebo tetraboritanem sodným – vhodné pro

rozklad korundu, nkterých aluminosilikát, email, písk apod. Pi rozkladu silikát se jako tavidlo asto používá sms tetraboritanu s uhliitanem sodným.

Jiné zpsoby rozkladu 1. Slinování (sintrace) – analyzovaný vzorek se rozkládá menším množstvím tavidla pi

teplot, která je pod jeho teplotou tání. Pitom dochází ke konverzi a vzniklou sms lze snadno rozložit kyselinou. Vhodné pi rozkladu silikát. Vzorek se žíhá ve smsi CaCO3 a NH4Cl.

2. Rozklad v proudu plynu – není tak bžný. K práci se používá kyslík a chlor. Uhlík se spalováním v proudu O2 pevede na CO2, S na SO2. Pro rozklad se používá zaízení, které kvantitativn zachycuje reakní zplodiny. Vzorek obsahující prvky, které poskytují tkavé chloridy, lze rozkládat za zvýšené teploty suchým plynným chlorem (As, Sb, Sn, Se, Te, Ge, Hg, Bi, Ti, V, S, Mo, W).

3. Tlakové rozklady – s kyselinami za zvýšeného tlaku. Probíhají nejastji v ocelových nebo hliníkových autoklávech. Mžeme tak do roztoku pevést i materiály, které se za normálního tlaku kyselinami nerozkládají. Slouží k rozkladu korundu, silikát, slitin drahých kov. Jako rozkladná kyselina se nejastji používá HCl, HF, pop. jejich smsi s HNO3 nebo H2SO4.

4. Mikrovlnné rozklady – slouží k rozkladu rozliných vzork za zvýšených teplot, nejastji k rozkladu organických a biologických materiál. Energie nutná k ohevu vzorku se dodává prostednictvím mikrovlnného záení. Mikrovlnné rozklady lze provádt v otevených i v uzavených systémech. V pípad rozkladu v uzaveném systému probíhá rozklad ve speciální nádobce zhotovené z vysoce odolného plastu (teflon) za zvýšeného tlaku. Energie mikrovlnného záení se pemní na tepelnou energii, která ohívá vzorek. Moderní mikrovlnné pece umožují souasný rozklad minimáln 10 vzork, kterými se v prbhu rozkladného programu otáí. Rozkládat lze rozliné vzorky pírodního pvodu i syntetické materiály. S oblibou se rozkládají (mineralizují) biologické vzorky (krev, krevní plazma, vlasy, rostlinné i živoišné tkán, houby). Mikrovlnné rozklady se provádjí v pítomnosti silných minerálních kyselin a oxidaních inidel (HNO3, HCl, HF, H2O2). Rozkladný program je vhodné rozdlit do nkolika fází. Intenzitu mikrovlnného záení je nutné zvyšovat postupn, aby se zabránilo boulivému prbhu dekompoziní reakce a pípadné explozi. Produktem úspšného mikrovlnného rozkladu (mineralizace) je irý, homogenní roztok.

20

Obr. Mineralizátor s fokusovaným mikrovlnným polem a mikrovlnná pec pro kyselinové tlakové rozklady

Kvalitativní anorganická analýza

Skupinové reakce kationt Kationty se dlí do pti analytických tíd:

I. analytická tída – Ag+, Pb2+, Tl+ a Hg22+

II. analytická tída – a) Pb2+, Cu2+, Cd2+, Bi3+, Hg2+ b) Sn2+, Sn4+, Sb3+, Sb5+, As3+, As5+

III. analytická tída – Zn2+, Ni2+, Mn2+, Al3+, Cr3+, Fe2+, Fe3+, Co2+ IV. analytická tída – Ba2+, Ca2+, Sr2+ V. analytická tída – Li+, Na+, Mg2+, NH4

+, K+ Skupinová inidla

I. analytická tída – HCl (1+2) II. analytická tída – H2S (Na2S+H+)

III. analytická tída – (NH4)2S IV. analytická tída – (NH4)2CO3 nasycený roztok V. analytická tída – nemá

Reakce s kyselinou chlorovodíkovou Z bžných kationt se zednou HCl sráží jen ionty Ag+, Pb2+, Tl+ a Hg2

2+, které poskytují bílé sraženiny chlorid, nerozpustné ve zedných kyselinách. Pouze PbCl2 je rozpustný za horka ve vod. Ag+ + Cl- AgCl Hg2

2+ + 2Cl- Hg2Cl2 Tl+ + Cl- TlCl Pb2 + 2 Cl- PbCl2

21

Reakce s kyselinou sírovou Zednou kyselinou sírovou se srážejí bílé sraženiny síran CaSO4, SrSO4, PbSO4,

BaSO4. Jejich rozpustnost v ad klesá. Málo rozpustné jsou také Ag2SO4 a Hg2SO4, které se vyluují jako bílé sraženiny rozpustné za horka ve vod.

Ca2+ + SO4

2- CaSO4 Sr2+ + SO4

2- SrSO4 Pb2+ + SO4

2- PbSO4 Ba2+ + SO4

2- BaSO4

Reakce se sirovodíkem v kyselém prostedí Z prostedí zedné kyseliny chlorovodíkové se sirovodíkem srážejí tyto sulfidy Ag2S,

HgS, PbS, CuS (erné), CdS (žlutý), Bi2S3 (tmav hndý), SnS (hndý), SnS2 (špinav žlutý), As2S3, As2S5 (žluté), Sb2S3, Sb2S5 (oranžové). 2Ag+ + S2- Ag2S Hg2

2+ + S2- HgS + Hg0 ( 2HgI HgII + Hg0 ) Cu2+ + S2- CuS Zn2+ + S2- ZnS Cd2+ + S2- CdS Hg2+ + S2- HgS Sn2+ + S2- SnS Pb2+ + S2- PbS 3PbS + 8HNO3 3PbSO4 + 8NO + 4H2O 2As3+ + 3S2- As2S3 As2S3 + 3Na2S 2Na3AsS3 2Sb3+ + 3S2- Sb2S3 2Bi3+ + 3S2- Bi2S3 Sn4+ + 2S2- SnS2 2As5+ + 5S2- As2S5 As2S5 + 3Na2S 2Na3AsS4

V roztocích polysulfid amonných se rozpouštjí sulfidy SnS, SnS2, As2S3, As2S5, Sb2S3, Sb2S5 a ásten CuS za vzniku rozpustných thiokomplex. Protože polysulfidy mají oxidaní úinky, dochází pi rozpouštní k oxidaci SnII, AsIII a SbIII na SnIV, AsV a SbV. Okyselením roztok thiokomplex vznikají opt sraženiny sulfid.

Reakce se sulfidem amonným V neutrálním až slab zásaditém prostedí se roztokem sulfidu amonného srážejí vedle

sulfid kov, vyluujících se pi srážení s H2S, také FeS, Fe2S3, CoS, NiS (erné), MnS (ržový) a ZnS (bílý). V dsledku protolytické reakce sulfidových iont jsou v roztoku pítomny ionty OH- a proto se souasn s uvedenými sulfidy srážejí málo rozpustné hydroxidy Al(OH)3 (bílý) a Cr(OH)3 (zelený). Mn2+ + S2- MnS Fe2+ + S2- FeS Co2+ + S2- CoS Ni2+ + S2- NiS Zn2+ + S2- ZnS

22

2Cr3+ + 3S2- + 6H2O 2Cr(OH)3 + 3H2S 2Fe3+ + 3S2- Fe2S3 Fe2S3 + 6HCl 2FeCl3 + 3H2S (Fe2S3 S + FeS) 2Al3+ + 3S2- + 6H2O 2Al(OH)3 + 3H2S

Reakce s hydroxidy alkalických kov S výjimkou kov alkalických zemin, arsenu a iont alkalických kov poskytují bžné

kationty s roztokem hydroxidu málo rozpustné sloueniny. 2Ag+ + 2OH- Ag2O + H2O Hg2

2+ +2 OH- HgO + Hg + H2O (2HgI HgII + Hg0) Mg2+ + 2OH- Mg(OH)2 za nepítomnosti NH4

+ Mn2+ + 2OH- Mn(OH)2 2Mn(OH)2 + O2 2MnO(OH)2 Fe2+ + 2OH- Fe(OH)2 4Fe(OH)2 + O2 4FeO(OH) + 2H2O (O2

0 + 4FeII 4FeIII 2O-II) Co2+ + 2OH- Co(OH)2 Ni2+ + 2OH- Ni(OH)2 Cu2+ + 2OH- Cu(OH)2 Cu(OH)2 CuO + H2O Cd2+ + 2OH- Cd(OH)2 Hg2+ + 2OH- HgO + H2O Fe3+ + 3OH- Fe(OH)3 Al3+ + 3OH- Al(OH)3 Al(OH)3 + NaOH Na[Al(OH)4] Bi3+ + 3OH- Bi(OH)3

Reakce s vodným roztokem amoniaku inidlo sráží stejné kationty jako roztok alkalického hydroxidu, protože však obsahuje

i molekuly NH3, vznikají krom málo rozpustných hydroxid také amminkomplexy. V pebytku roztoku amoniaku se rozpouštjí sraženiny hydroxid jako AgI, CdII, HgII, ZnII (bezbarvé), CuII, NiII (modré), CoII, CrIII (ržové) a CoIII (ervené).

NH3 + H2O NH4

+ + OH- 2Ag+ + 2OH- Ag2O + H2O AgCl + 2NH4

+ [Ag(NH3)2]Cl + 2H+ [Ag(NH3)2]Cl + 2HNO3 AgCl + 2NH4NO3

Co2+ + 6NH3 [Co(NH3)6]2+ Ni2+ + 6NH3 [Ni(NH3)6]2+ Cu2+ + 4NH3 [Cu(NH3)4]2+ Zn2+ + 4NH3 [Zn(NH3)4]2+ Cd2+ + 6NH3 [Cd(NH3)6]2+ Hg2Cl2 + 2NH3 Hg2NH2Cl + NH4Cl Hg2NH2Cl HgNH2Cl + Hg HgNH2Cl + NH4Cl [Hg(NH3)2]Cl2 Sn2 + 2OH- Sn(OH)2 Pb2+ + 2OH- Pb(OH)2 Cr3+ + 6NH3 [Cr(NH3)6]3+

23

Fe3+ + 3OH- Fe(OH)3 Al3+ + 3OH- Al(OH)3 Sb3+ + 3OH- Sb(OH)3 BiCl3 + 2NH4OH BiOCl + 2NH4Cl + H2O Sn4+ + 4OH- Sn(OH)4

Reakce s jodidem draselným Roztok alkalického jodidu sráží kationty Ag+, Pb2+ (žlutý), Hg2

2+, Hg2+ (žlutozelený), Cu2+ a Bi3+ (ernohndý) za vzniku málo rozpustných jodid. Hg2+, Bi3+ se snadno rozpouští v pebytku jodidu za vzniku jodokomplex. Obtížnji se rozpouští Ag+ a Pb2+.

Ag+ + I- AgI Hg2

2+ + 2I- Hg2I2 Hg2I2 + 2I- [HgI4]2- + Hg 2HgI HgII + Hg0 2Cu2+ + 4I- 2CuI + I2 2I- + 2CuII I2 + 2CuI Hg2+ + 2I- HgI2 HgI2 + 2I- [HgI4]2- Pb2+ + 2I- PbI2 PbI2 + 2I- [PbI4]2- Bi3+ + 3I- BiI3 BiI3 + I- [BiI4]-

Reakce s uhliitany alkalických kov Alkalické uhliitany podléhají ve vod protolytickým reakcím

CO3

2- + H2O ⇔ HCO3- + OH-

HCO3- + H2O ⇔ H2CO3 + OH-

Roztokem alkalického uhliitanu se srážejí všechny kationty s výjimkou arsenitých solí,

kationtu amonného a samozejm kationt alkalických kov. Pi srážení dvojmocných kationt vznikají nap. MCO3 . x M(OH)3. Sraženiny FeCO3 a MnCO3 se oxidují vzdušným kyslíkem na Fe(OH)3 a MnO2 . x H2O. Suspenze CuCO3 a Ag2CO3 se pi zahívání rozkládají na píslušné oxidy.

CuCO3 CuO + CO2

Rtunatá sl poskytuje sraženinu HgCO3 . x HgO, sraženina rtuné soli disproporcinuje

za vzniku elementární rtuti. Trojmocné a tymocné kationty (BiIII, AlIII, CrIII, FeIII, SbIII, SnIV a SnII), jejichž

hydroxidy jsou velmi málo rozpustné, poskytují pi srážení pevážn zásadité uhliitany nebo hydroxidy, obecn

2 M3+ + 3 CO3

2- + 3 H2O 2 M(OH)3 + 3 CO2 V pebytku uhliitanu se ásten rozpouštjí sraženiny amfoterních prvk (PbII, ZnII,

SbIII,V, SnII,IV, AlIII, CrIII) na hydroxokomplexy. Psobením CO2 pecházejí uhliitany na rozpustné hydrogenuhliitany. Varem roztok

hydrogenuhliitan vznikají opt sraženiny uhliitan.

24

Reakce s alkalickým fosforenanem Fosforenany a hydrogenfosforenany (s výjimkou alkalických a amonného) jsou ve

vod velmi málo rozpustné, dihydrogenfosforenany jsou rozpustné. Pi srážení vznikají amorfní sraženiny nap. MI

3PO4, MII3(PO4)2, MIIIPO4, MIIHPO4. Za pítomnosti amonných

solí tvoí dvojmocné ionty nkterých prvk (Cd, Cu, Zn, Mn, Ni, Co, Mg) krystalické sraženiny podvojných fosforenan obecného vzorce MIINH4PO4 . x H2O.

Ve zedných minerálních kyselinách se sraženiny fosforenan rozpuštjí s výjimkou BiPO4 a Sn3(PO4)4. V koncentrovaném roztoku amoniaku se rozpuštjí fosforenany kov tvoících stabilní amminkomplexy (Ag, Cu, Cd, Co, Ni, Zn). V koncentrovaném roztoku alkalického hydroxidu jsou rozpustné fosforenany amfoterních prvk (Pb, Zn, Sn, Sb, Al, CrIII) za vzniku hydroxokomplex.

MIIHPO4 (M = Ca, Sr, Ba) bílé sraženiny M2+ + HPO4

2- MHPO4 Ca2+ + HPO4

2- CaHPO4 M3

IPO4 (M = Li bílá sr., M = Ag žlutá sr.) 3M+ + HPO4

2- M3PO4 + H+ M3

II(PO4)2 (M = Ba, Sr, Ca) bílé sraž. 3M2+ + 2HPO4

2- + 2NH3 M3(PO4)2 + 2NH4+

(M = Mn, Zn, Pb bílá sr., Ni zelená sr.) 3M2+ + 2HPO4

2- M3(PO4)2 + 2H+ MIINH4PO4 (M = Mg bílá sr.) Mg2+ + HPO4

2- + NH3 MgNH4PO4 MIIIPO4 (M= Fe, Al, Bi bílé sr., Cr zelená sr.) M3+ + HPO4

2- MPO4 + H+

Vybrané reakce aniont CO3

2-: uhliitany mohou být pítomny pouze v zásaditých roztocích. Po pídavku H2SO4 se uvolní CO2, který se jímá do roztoku hydroxidu barnatého, s nímž poskytne bílou sraženinu BaCO3. SO4

2-: z roztoku okyseleného zednou HCl se za pítomnosti síranových iont vyluuje pídavkem roztoku BaCl2, bílá sraženina BaSO4. SO3

2-: odbarvují modrý roztok Votokova inidla (fuchsin a malachitová zele) za nepítomnosti sulfid a polysulfid. S2-: reakce s pentakyano-nitrosylželezitanem sodným (nitroprusid sodný) v siln alkalickém prostedí, vzniká fialov zbarvený rozpustný komplex. Okyselením roztoku obsahujícího sulfidy se uvoluje páchnoucí jedovatý sirovodík. PO4

3-: po okyselení reagují s tzv. molybdenovou solucí, tj. roztokem molybdenanu amonného v HNO3, kdy vzniká žlutá sraženina tetrakis(trimolybdato)-fosforenanu amonného.

( ) ( )[ ] OHOMoPNHHNHMoOPO 2410334424

34 1224312 +→+++ ++−−

Cl-: srážení AgCl roztokem AgNO3.

25

Br-: reakcí s chlorovou vodou pecházejí na elementární brom, který roztok zbarvuje žlut až žlutohnd. I-: v prostedí kyseliny octové se oxidují na jod. Vzniklý jod lze extrahovat do chloroformu, kde se rozpouští za vzniku fialových roztok. NO2

-: dkaz je založen na diazotaci aromatického aminu kyselinou dusitou a kopulaci vzniklé diazoniové soli s aminem nebo fenolem na ervenofialové azobarvivo. Jako inidlo se používá roztok kyseliny 4-aminobenzensulfonové a N-(1-naftyl)-ethylendiaminu v CH3COOH.

Obr. Azobarvivo NO3

-: dokazujeme je nepímo po jejich redukci na dusitany kovovým zinkem v prostedí kyseliny octové.

OHZnNOHZnNO 22

23 2 ++→++ +−+−

26

Analýza organických látek

Elementární analýza

Stanovení uhlíku, vodíku, dusíku, síry a halogen K dkazu prvk v org. analýze se používají oxidaní nebo redukní metody. Nejsme-li

si jisti, zda jde o látku organickou i anorganickou, provedeme nejjednodušší zkoušku – spálení látky v plameni.

Tavení se sodíkem (Lassaigneova zkouška) – látka se taví se sodíkem a dochází k rozkladu látky. Uhlík se ásten vyluuje, dusík pechází v pítomnosti uhlíku na kyanid sodný, síra na sulfid sodný a halogen na halogenid sodný. Pebytený sodík se rozloží vodou a v získaném siln alkalickém roztoku hledáme jednotlivé anionty. Dusík se pevádí na Berlínskou mod. Síra se dokazuje s nitroprusidem sodným (Na2[Fe(NO)(CN)5]) za vzniku

27

fialového zbarvení. Halogeny se dokazují po okyselení HNO3 srážením na píslušný halogenid stíbrný.

Rozklad v proudu plynu – látka se zahívá na platinové lodice v proudu kyslíku nebo vzduch a její páry se vedou vrstvou CuO, na nmž se dokonale oxidují na CO2 a H2O. Voda a oxid uhliitý se zachycují v aparátcích umístných za trubicí a pírstek hmotnosti pak odpovídá adsorbovanému množství. Voda se zachycuje na vrstv chloristanu hoenatého, oxid uhliitý na vrstv natronového azbestu. Je-li v organické látce pítomen dusík, oxidy dusíku se zachytí v aparátku naplnném oxidem manganiitým.

Dkaz vodíku – pi spálení látky na vzduchu ve sklenné trubice se na chladných ástech trubika orosí.

Stanovení dusíku – odvážená látka se smísí s práškovým CuO a na platinové lodice se vpraví do spalovací trubice, která je naplnna drátkovým CuO. Zahíváním se uvolní oxidy dusíku (ty se redukují na vrstv rozžhavené mdi na dusík) a elementární dusík, který se vede do plynomrné byrety (azometru), naplnného 40%ním roztokem NaOH. Oxid uhliitý, pop. voda se pohltí a objem vzniklého elementárního dusíku se zmí.

Dalším stanovením je metoda Kjeldahlova, která je založena na oxidaní mineralizaci látky varem s koncentrovanou kyselinou sírovou za pítomnosti katalyzátoru (Cu2+ a Hg2+) a síranu draselného. Pi kjeldahlizaci pechází dusík na síran amonný, který po zalkalizování smsi uvolní amoniak, jenž se s vodní parou kvantitativn pedestiluje do pedlohy s odmrným roztokem kyseliny a stanoví titran.

Stanovení halogen – látka obsahující halogeny je rozložena termicky za pítomnosti oxidu mnatého. Vzniklý halogenid barví nesvítivý plamen zelen až mode. Stanovení se nehodí pro F-, tvoí netkavý CuF2.

Stanovení halogen a síry – v atmosfée kyslíku se v uzavené bace vzorek spálí a zreaguje s alkalickým roztokem peroxidu vodíku za vzniku alkalického halogenu. Síra obsažená v organické látce se pevede na síran a stanoví se gravimetricky nebo titran.

Identifikace jednotlivých skupin organických látek

Nasycené alifatické uhlovodíky Neposkytují charakteristické reakce, jsou tém nereaktivní. Ze smsi se dlí smsí

kyseliny fosforené a koncentrované kyseliny sírové. Je to zpsobeno malou polaritou vazeb v uhlovodících. Pro dkaz uhlovodík staí elementární analýza a skutenost, že látka neabsorbuje ultrafialové záení. Uhlovodíky ve smsi lze identifikovat pouze plynovou chromatografií.

Nenasycené uhlovodíky Redukují roztok manganistanu, odbarvují ho a také odbarvují brom. U uhlovodíku

dochází k adici na násobnou vazbu. Olefinické uhlovodíky poskytují adiní reakci s Karasovým inidlem (2,4-dinitrobenzensulfenylchlorid) za vzniku krystalických chlorosulfid.

OHMnOKOHRCOOKKMnORCHCHR 224 282683 +++→+−=−

BrCHCHBrBrCHCH −−−→+= 22222

28

Acetylen a jeho monosubstituované deriváty reagují s ionty tžkých kov za vzniku acetylid. Nkteré z tchto slouenin jsou nestabilní a snadno explodují. Známá je reakce s Ilosvayovým inidlem. Alkiny, které mají na trojné vazb vodík (typu CH≡C-R) poskytují s amoniakálním roztokem síranu mnatého odbarveným hydroxylaminem ervenožluté, ervenofialové až hndé sraženiny acetylidu mného.

Aromatické uhlovodíky – neodbarvují ani brom ani manganistan. Rozpouštjí se v koncentrované kyselin sírové, nesubstituované v oleu. Klasifikaní reakce, které vedou k dkazu aromatických uhlovodík mžeme rozdlit na substituní reakce (nitrace, sulfochlorace, acylace), na adiní reakce (tvorba π-komplex u vícejaderných uhlovodík) a na oxidaní reakce.

Dkaz hydroxylové skupiny Hydroxoderiváty mají možnost iontového štpení vazeb a podle podmínek se mohou

chovat bu jako kyseliny, nebo jako zásady. U aromatických uhlovodík dochází ke snadnjšímu štpení vazby C-O iontovými inidly na rozdíl od alifatických uhlovodík.

Dkaz alkohol Xantogenová reakce – vtšina primárních a sekundárních alkohol a nkteré alkoholy

terciární reagují se sirouhlíkem a hydroxidem sodným za tvorby alkylxanthogenan sodných (NaS-CS-OC2H5), které jsou ve vod rozpustné.

Dkaz fenol Reakce s chloridem železitým – k roztoku fenolu pidáme vodný roztok FeCl3. Fenol se

zbarví fialov, pyrokatechin (kresol) zelen, kyselina salicylová erven apod. Millonova reakce – Millonovo inidlo (Hg(NO3)2 + HNO3) se smísí s fenoly. Ty

poskytují s jednosytnými fenoly ervené zabarvení.

Dkaz karboxylové skupiny Rozpouští-li se látka ve vod, pak roztok reaguje kysele na barevné acidobazické

indikátory. U nerozpustných látek staí ervené zabarvení lakmusového papírku. Jiný dkaz pítomnosti karboxylu v látce spoívá v rozkladu uhliitanu sodného. Dále srážení stíbrnou, olovnatou a barnatou solí ve vod nebo v ethanolu.

+− +−↔+− OHCOOROHCOOHR 32

Dkaz amin Reakce s kyselinou dusitou – primární aromatické aminy reagují s HNO2 za vzniku

diazoniových solí, které v alkalickém prostedí dávají azobarvivo. Sekundární alifatické aminy reagují s kyselinou za vzniku nitrosaminu. Nitrosaminy jsou vtšinou ve vod nerozpustné a vyluují se pi reakci jako žlutý olej. Sekundární aromatické aminy reagují obdobn. Terciární alifatické i aromatické aminy, stejn jako kvarterní amoniové soli, s kyselinou nereagují.

29

Vážková analýza - gravimetrie Je založena na kvantitativním vylouení stanovované složky z roztoku ve form málo

rozpustné sloueniny, která se sušením nebo žíháním pevede na chemicky definovaný produkt, který se váží. Vylouená sraženina se nazývá vyluovací forma, pesn definovaný produkt získaný po sušení nebo žíhání se nazývá forma k vážení (vyvážka) a z její hmotnosti se vypoítává obsah stanovované složky. Nkdy je vyluovací forma souasn i formou k vážení (nap. AgCl, BaSO4, nkteré komplexní sloueniny kovových iont s organickými inidly…).

Vážková analýza má nejvtší význam jako jedna z nejspolehlivjších metod stanovení pi kontrolních a srovnávacích analýzách, pi validaci (ovování správnosti) nových analytických metod a pi analýze standard. Patí mezi definitní metody, tj. metody, u kterých má výsledek pímou návaznost k nkteré základní jednotce SI soustavy.

Pi vážkové analýze využíváme jen takových srážecích reakcí, pi nichž vznikají málo rozpustné a dobe zpracovatelné sraženiny. Podle tvaru ástic rozlišujeme sraženiny krystalické a amorfní. Vhodnjší jsou krystalické, které se lépe filtrují a bývají istší. Vlastnosti sraženin jsou závislé nejen na jejich chemickém složení, ale i na podmínkách vyluování. Velikost vznikajících ástic sraženiny je závislá na rychlosti, jakou se sraženina vyluuje. ím je rychlost vyluování menší, tím vtší ástice vznikají. Rychlost vyluování je pímo úmrná relativnímu pesycení roztoku. Pesycení bude tím menší, ím pomaleji zvyšujeme koncentraci srážedla. Velikost ástic závisí i na pvodní koncentraci vyluované složky v roztoku. Platí, že pro vyluování hrubších sraženin nesmí být roztoky velmi zedné ani naopak píliš koncentrované. Rozpustnjší látky poskytují obvykle vtší ástice. Stední velikost ástic sraženiny se zvtšuje s dobou, po kterou se sraženina ponechá ve styku s mateným roztokem.

Protože pevážná ást analyticky využívaných reakcí probíhá mezi ionty ve vodných roztocích, budeme se dále zabývat pouze srážecími rovnováhami ve vodném prostedí.

Souin rozpustnosti Pi rozpouštní tuhého elektrolytu AxBy ve vod se ustavuje heterogenní rovnováha

mezi tuhou fází (s indexem s) a ionty v roztoku

( ) −+ +↔ xy

syx ByAxBA

Za daných podmínek vznikne asem nasycený roztok a v nm má rovnováha dynamický charakter, tj. ionty pecházející z krystalové mížky tuhé fáze do roztoku jsou nahrazovány ionty pecházejícími z roztoku zpt do krystalové mížky tuhé fáze. Dynamickou rovnováhu charakterizuje rovnovážná konstanta

( ) ( )( )

syx

xyyx

BAaBaAa

K−+

= .

Jestliže uvážíme, že aktivita isté tuhé látky je podle definice jednotková, nabude výraz pro rovnovážnou konstantu tvaru

( ) ( )−+= xyyxs BaAaK .

30

Veliina Ks se nazývá souin rozpustnosti. Nahradíme-li aktivity relativními rovnovážnými koncentracemi, dostaneme

( ) [ ] [ ] yxxycs BAK −+= .

kde (Ks)c je koncentraní souin rozpustnosti. Jestliže roztoky málo rozpustných látek jsou velmi zedné, blíží se aktivní koeficienty k jednotce a potom platí (Ks)c = Ks.

Souin rozpustnosti je významná veliina, která umožuje výpoet rozpustnosti látky za rzných podmínek, tj. v isté vod, za pítomnosti pebytku nkterého z iont tvoících sraženinu, za pítomnosti cizích iont, pi rzném pH apod.

Obecný postup vážkové analýzy 1. pevedení vzorku do roztoku 2. srážení 3. filtrace a promývání 4. sušení a žíhání 5. výpoet

1. 2. 3. 4. Analyzovaný vzorek pevedeme do roztoku a úpravou reakních podmínek (objemu,

teploty, pH) zajistíme optimální prbh následující srážecí reakce. Pro vylouení stanovované složky z roztoku používáme obvykle vodných roztok

inidel. U organických inidel špatn rozpustných ve vod používáme jejich roztok v organických rozpouštdlech mísitelných s vodou nejastji s ethanolem. Srážecím inidlem mže být i látka plynná, nap. H2S, CO2 apod., kterou uvádíme plynule do reakní smsi až do nasycení.

Po kvantitativním vylouení necháme vzniklou sraženinu uritou dobu zrát a poté ji oddlíme od mateného roztoku filtrací. K filtraci používáme rzné druhy kvantitativních papírových filtr, které po spálení zanechávají zanedbatelné množství popelovin a mají definovatelnou hustotu. Krystalické sraženiny se nkdy filtrují pomocí porcelánových filtraních kelímk nebo pomocí sklenných frit.

Po odfiltrování je teba sraženinu (filtraní kolá) zbavit zbytk mateného roztoku a stržených rozpustných látek promýváním vodou nebo astji roztokem vhodného elektrolytu. Promývání je nutné opakovat. Odfiltrovanou a promytou sraženinu pevádíme sušením nebo žíháním na formu k vážení. Sušením rozumíme odstraování tkavé kapaliny

31

(vtšinou vodu, org. látky) pi teplotách mírn nad její teplotu varu (105 – 120 °C), pi kterém zpravidla nedochází k chemických zmnám sraženiny. K žíhání sraženin, které probíhá obvykle pi teplotách 400 – 1200 °C na vzduchu nebo v proudu plynu, se používají porcelánové, kemenné nebo platinové kelímky. Sraženina se ped žíháním nejprve vysuší a pokud bylo k filtraci použito papíru, ten se zvolna spálí zahíváním kahanem tak, aby nedošlo k jeho hoení. Teprve potom je možno žíhání dokonit v plameni nebo v elektrické peci pi potebné teplot. Pi žíhání dochází asto k chemickým zmnám sraženiny. Sraženiny se suší nebo žíhají do konstantní hmotnosti. Hmotnost sraženiny se pi dalším vážení smí lišit nejvýše o 0,3 mg.

Množství stanovované látky se pak vypote z navážky vzorku, z hmotnosti vyžíhaného vzorku a pomocí gravimetrického faktoru. Hodnotu gravimetrického faktoru (fg) mžeme vypoítat nebo vyhledat v tabulkách.

iz

hlg M

Mf = [ ]%100g

n

vs f

mm

w =

Mhl – molární hmotnost hledané látky Miz – molární hmotnost izolované látky mv – hmotnost vyvážky mn – hmotnost navážky

Píklady stanovení nkterých prvk a skupin Stanovení Ag: stíbrné ionty se z okyseleného vzorku za horka sráží jako bílý AgCl pídavkem kyseliny chlorovodíkové. AgCl je i výsledným produktem po žíhání. Stanovení Fe: železité ionty se za horka sráží amoniakem. Vzniká rezav hndá sraženina hydroxidu železitého, která je žíháním pevedena na oxid železitý. Stanovení Ni: nikelnaté ionty se sráží ve slab amoniakálním prostedí roztokem diacetyldioximu v ethanolu za vzniku purpurov ervené sraženiny nikldiacetyldioximu. Vzorek se pouze suší a poté váží. Stanovení Mg: hoenaté ionty se sráží za horka hydrogenfosforenanem amonným v prostedí amoniaku jako bílá sraženina fosforenanu hoenato – amonného, který se žíhá na Mg2P2O7. Stanovení Ca: vápenaté ionty se sráží za horka šavelanem amonným jako šavelan vápenatý, který se žíhá na oxid. Stanovení síran: sírany se sráží za horka v pítomnosti HCl roztokem chloridu barnatého za vzniku bílé sraženiny BaSO4, který je i výsledným produktem po žíhání. Stanovení fosforenan: fosforenanové ionty se sráží hoenatou solucí. Další postup je stejný jako u stanovení Mg. Stanovení chlorid: chloridové ionty se sráží za chladu roztokem AgNO3.

32

Protolytické rovnováhy Rovnováhy v roztocích, kterých se úastní vodíkové kationty, se nazývají protolytické

rovnováhy. Tchto rovnováh se úastní jak kyseliny, tak zásady. Kyseliny jsou látky schopné odštpovat protony a zásady jsou látky schopné protony pijímat. Kyseliny jsou tedy donory proton, zásady akceptory proton. Kyseliny a zásady se souhrnn nazývají protolyty. Protolytem mže být nejen molekula, ale i ion. Dvojice látek, lišících se pouze o jeden proton, se nazývá konjugovaný pár. Píslušnou rovnováhu mžeme vyjádit rovnicí

−+ +↔+ ClNHNHHCl 43

Protolytických rovnováh se vždy úastní souasn kyselina i zásada a proto se jim také íká acidobazické rovnováhy. Protolytických rovnováh v roztocích se úastní i polární rozpouštdla, která mohou vystupovat ve funkci kyseliny i zásady. Pokud roztok obsahuje pouze kyselinu a rozpouštdlo SH schopné pijmout proton, mžeme psát

+− +↔+ 2SHBSHHB Analogicky zásada s rozpouštdlem

HBSBSH +↔+ −−

Rozpouštdla dlíme na: 1. rozpouštdla aprotická – nemohou protony ani odštpovat ani pijímat 2. rozpouštdla aprotogenní – mohou protony jen pijímat pomocí volného

elektronového páru 3. rozpouštdla amfiprotní – mohou protony pijímat i odštpovat, podle toho zda

látka je silnjší i slabší kyselina Nejdležitjším amfiprotním rozpouštdlem je voda. Podléhá autoprotolýze

−+ +↔ OHOHOH 322 za vzniku hydroxoniového (oxoniového) iontu H3O+ a hydroxidového iontu OH-. Rovnovážná konstanta autoprotolytické reakce je

( ) ( )( )OHa

OHaOHaK

22

3 . −+

=

Zahrneme – li hodnotu a2 (H2O), která je pi velkém nadbytku molekul vody konstantní, do hodnoty K, dostaneme konstantu nazývanou iontový souin vody:

( ) ( )−+= OHaOHaK v .3 Pi teplot 25 °C má hodnotu Kv = 1,008 . 10-14. Autoprotolýzou vody vzniká stejné množství iont H3O+ jako OH-, takže v isté vod platí, že a (H3O+) = a (OH-).

33

( ) ( ) ( ) ( ) 7

32

32 10.1 −−+−+ ===== vv KOHaOHaOHaOHaK

Z praktických dvod bylo zavedeno vyjadování malých íselných hodnot veliin pomocí záporných dekadických logaritm, tedy

( ) ( ) vv KpKOHapOHOHapH logloglog 3 −=−=−= −+

( )CavodupropOHpHpOHpHpK v257==+=

istou vodu nebo roztoky, ve kterých platí a (H3O+) = a (OH-), oznaujeme jako neutrální. Z hodnoty iontového souinu vody vyplývá, že rozsah tzv. absolutní stupnice pH je 0 až 14. Bude-li ve vod rozpuštna látka HB snadnji odštpující protony než voda, vzroste množství hydroxoniových iontu v roztoku. Naopak bude-li ve vod rozpuštna látka B snadnji pijímající protony než vody, vzroste množství hydroxidových iont v roztoku. Takže pokud je a (H3O+) > a (OH-), je pH < 7 a roztok je kyselý. Obrácen pokud a (H3O+) < a (OH-), je pH > 7 a roztok je zásaditý.

Rovnovážné konstanty protolytických reakcí Rovnovážnou konstantu protolytické reakce kyseliny HB

+− +⇔ HBHB nazýváme absolutní konstanta acidity:

( ) ( ) ( )( )HBa

BaHaHBka

−+

= .

její pevrácená hodnota je absolutní konstanta bazicity:

( ) ( )( ) ( )−+

− =BaHa

HBaBkb .

Tyto absolutní konstanty nemžeme experimentáln zjistit, protože proton nemže v roztoku samostatn existovat. Co však zjistíme, je rovnovážná konstanta reakce

+− +⇔+ 2SHBSHHB tj. reakce kyseliny v pítomnosti rozpouštdla

( ) ( ) ( )( ) ( )SHaHBa

BaSHaHBK

..2

−+

=

Zahrneme-li v rovnici hodnotu a(SH), která je pi velkém nadbytku molekul SH konstantní, do hodnoty K(HB), dostaneme konstantu nazývanou disocianí konstanta kyseliny HB

34

( ) ( ) ( )( )HBa

BaSHaHBK a

−+

=.2

Analogicky mžeme získat vztah pro disocianí konstantu zásady

( ) ( ) ( )( )−

−−−− =+⇔+

BaSaHBa

BKSHBSHB b

.

Pro vodné prostedí platí

( ) ( ) vba KBKHBK =−.

Z tohoto vztahu vyplývá, že známe-li hodnotu disocianí konstanty kyseliny, mžeme za pomoci iontového souinu rozpouštdla (vody) vypoítat disocianí konstantu konjugované zásady. Z tohoto dvodu jsou nejastji tabelovány pouze disocianí konstanty kyselin.

35

Odmrná analýza (titrace) Stanovení látek založené na mení objemu roztoku inidla práv potebného k úplnému

zreagování stanovované složky v analyzovaném roztoku, tj. k dosažení bodu ekvivalence. Známe-li pesnou koncentraci roztoku inidla (tzv. titr), mžeme na základ

stechiometrie reakce vypoítat množství nebo koncentraci stanovované složky. Dosažení bodu ekvivalence se zjišuje vhodnou indikací, která mže být založena bu

na subjektivním pozorování zmn v roztoku (vizuální indikace) nebo na objektivním mení urité vlastnosti roztoku (instrumentální indikace).

Chemické reakce, které je možno využít pi odmrné analýze, by mly splovat tyto požadavky:

− reakce inidla se stanovovanou složkou musí probíhat jednoznan podle známé stechiometrie, inidlo nesmí reagovat souasn s více složkami analyzovaného roztoku

− reakce musí probíhat kvantitativn, tj. rovnováha musí být zcela posunuta ve smru tvorby reakních produkt

− použitá reakce má být dostaten rychlá, dosažení rovnováhy by mlo být limitováno pouze mícháním

− bhem reakce má docházet ke zmnám tch vlastností, které jsou snadno indikovatelné, zmny musí být zvlášt výrazné v okolí bodu ekvivalence

Metody odmrné analýzy dlíme podle povahy chemických reakcí, na kterých jsou

založené, do ty skupin: 1. acidobazické titrace 1. komplexotvorné 2. srážecí 3. oxidan-redukní

Jestliže se konec titrace zjišuje instrumentální indikací, potom se zpsob indikace uvádí jako pívlastek v názvu titrace: potenciometrická, konduktometrická, fotometrická titrace.

Odmrné metody jsou nejrozšíenjšími metodami analýzy roztok, zejména anorganických látek. Bžn se využívají jako provozní a kontrolní metody v mnoha výrobních odvtvích.

Nezbytnou podmínkou odmrného stanovení je správné urení konce titrace, tj. stavu, pi kterém ukoníme pidávání titraního inidla a který má koincidovat s bodem ekvivalence. Jak už bylo uvedeno, rozdlujeme zpsoby indikace na vizuální a instrumentální.

Vizuální indikace konce titrace Pi vizuální indikaci využíváme výrazných zmn vzhledu roztoku zpsobených bu

pemnou samotných reagujících látek nebo pemnou pomocných látek pidávaných do roztoku, chemických indikátor.

Bezindikátorové zpsoby Nejznámjší z bezindikátorových zpsob indikace se využívá pi titracích odmrným

roztokem manganistanu, který pi malých koncentracích intenzivn fialov zbarvuje roztok. Pi titracích v kyselém prostedí se inidlo redukuje na bezbarvé ionty manganaté, dokud je v roztoku stanovované redukovalo. Ukonení reakce je indikováno prvním pebytkem inidla,

36

které zbarví titrovaný roztok ržovo-fialov. Na podobném principu mžeme indikovat konec titrace také u nkterých metod cerimetrických nebo jodometrických, kde využíváme žlutého zbarvení pebytené ceriité soli (ceritá sl je ve zedném roztoku prakticky bezbarvá) nebo roztoku jodu (roztok jodidu je rovnž bezbarvý). Bez použití indikátor lze zjistit konec titrace také u srážecích titrací halogenid, kdy vzniká zakalený koloidní roztok. Postupujeme-li po dostaten malých pídavcích, dojde po mírném pekroení bodu ekvivalence ke zetelnému vyeení roztoku, sraženina ztratí koloidní charakter a koaguluje do vtších ástic usazující se suspenze.

Za použití chemických indikátor Jako indikátory se používají látky stejného typu. Rozeznáváme tedy indikátory:

acidobazické – jsou to slabé organické kyseliny nebo zásady, charakterizované protolytickou rovnováhou

[ ] [ ][ ]HInd

IndHKIndHHInd HInd

−+−+ =+⇔ .

Funkní oblast acidobazických indikátor, jejichž kyselá forma se liší zbarvením od zásadité formy, nezávisí na celkové koncentraci indikátoru. Methyloranž – zásaditý indikátor, funkní oblast pH je 3,1 až 4,5. V pebytku kyseliny pechází na ervenoržové zbarvení z cibulov žluté. Methylerve – zásaditý indikátor, funkní oblast pH je 4,4 až 6,3. V pebytku kyseliny pechází na ervené zbarvení ze žluté. Fenolftalein – kyselý indikátor, funkní oblast pH je 8,0 až 9,8. V pebytku NaOH pechází z bezbarvé na fialové zbarvení. metalochromní – komplex se stanovovaným iontem kovu je odlišn zbarvený od iontu volného indikátoru (eriochromová er T – pechází z fialové na modrou, xylenolová oranž – z ervené i fialové na žlutou, murexid – ze žluté i ervené na fialovou) srážecích titrací – tvoí s titraním inidlem barevné sraženiny pop. rozpustné barevné komplexy nebo mohou v dsledku adsorpce na ásticích sraženiny i naopak desorpce zpsobovat zmnu zbarvení sraženiny nebo roztoku v bod ekvivalence redoxní – redukovaná forma je barevn odlišná od oxidované formy (benzidin, difenylamin, methylenová mod – všechny pechází z bezbarvé na modrou). Jejich rovnováha

redox IndezInd ⇔+ − závisí na hodnot elektrodového potenciálu:

[ ][ ]ox

redofInd Ind

Indz

EE log059,0−=

Indikátory, které mohou pecházet plynule z oxidované formy na redukovanou a naopak, nazýváme vratné indikátory. Krom nich se používají i nevratné.

37

Instrumentální indikace Pi instrumentálních indikacích sledujeme prbh titraních kivek mením zmn

vhodných veliin, které se podle poteby pevádjí na zmny elektrického signálu.

Potenciometrická titrace Protože podle Nernstovy rovnice potenciál obecn závisí na koncentracích iont

v roztoku, mžeme mením potenciálu pomocí vhodné indikaní elektrody sledovat i další veliiny odvozené od koncentrací, tj. pH, pM, pX apod. a indikovat tak prbh všech typ titrací. Pi potenciometrické indikaci se do titrovaného roztoku ponoí referentní elektroda a vhodná indikaní elektroda a pomocí potenciometru se mí elektromotorické naptí lánku v závislosti na pidaném množství titraního inidla.

Konduktometrická titrace Konduktometrická (vodivostní) indikace konce titrace se s výhodou využívá pi

titracích, kdy vznikají málo disociované nebo málo rozpustné produkty. Je to pevážn pi acidobazických titracích, kdy vzniká málo disociovaná voda, píp. pi chelatometrických a srážecích titracích. Vodivost roztok je pímo úmrná koncentraci iont, které jsou v roztoku pítomny. K titraci se používají co nejkoncentrovanjší roztoky titraních inidel, aby se zabránilo deformaci lineární závislosti zeováním titrovaného roztoku. Konec titrace se uruje podle zlomu na titraní kivce.

Amperometrická titrace Amperometrická indikace konce titrace se v praxi používá zejména pi

komplexotvorných, srážecích a oxidan-redukních titracích. Podmínkou je, že alespo jedna ze složek, které se úastní reakce, musí být elektroaktivní. Pomocí dvojice elektrod umístných do titrovaného roztoku se sledují zmny difúzního proudu procházejícího obvodem pi uritém vloženém konstantním naptí v závislosti na vytitrovaném podílu.

Obr. Biamperometrické titraní kivky

a) stanovovaná látka je souástí vratného a inidlo nevratného redoxního systému b) stanovovaná látka je souástí nevratného a inidlo nevratného redoxního systému c) stanovovaná látka i inidlo jsou souástí vratného redoxního systému

38

Fotometrická titrace Z hlediska principu je fotometrická indikace konce titrace blízká vizuální indikaci.

Místo subjektivního pozorování se prbh titrace sleduje pomocí objektivního mení zmny absorbance titrovaného roztoku pi vhodné vlnové délce v závislosti na vytitrovaném podílu nebo objemu pidaného titraního inidla. V praxi se fotometrická indikace nejvíce používá pi acidobazických a chelatometrických titracích. Podle Lambert-Beerova zákona je absorbance pímo úmrná látkové koncentraci složky absorbující záení zvolené vlnové délky.

Titraní kivka Matematické i grafické vyjádení funkní závislosti veliiny sledované pi titraci na

objemu pidaného titraního inidla, pop. vytitrovaném podílu stanovované látky. Vytitrovaný podíl definujeme vztahem:

c

z

XnXn

a)()(

=

kde n(X)z je látkové množství stanovované látky X, které již zreagovalo s titraním

inidlem, a n(X)c je celkové látkové množství stanovované látky pvodn pítomné v roztoku. Na poátku titrace je a=0 a podíl ekvivalence je a=1. Jestliže látka x reaguje s titraním inidlem ve stechiometrickém pomru 1:1 platí dále:

)(.)()()(

)(.)()()(

TVTcTnXn

TVTcTnXn

EEc

z

====

kde c(T) je koncentrace titraního inidla, n(T) látkové množství pidaného inidla

a V(T) zase objem pidaného inidla, nE(T) a VE(T) celkové látkové množství respektive objem titraního inidla, které jsou potebné k dosažení bodu ekvivalence.

Nkteré veliiny, pomocí kterých sledujeme prbh titrací, jsou pímo úmrné rovnovážným koncentracím složek reakního systému. Platí to nap. pro vodivost pi konduktometrických titracích nebo absorbanci pi fotometrických titracích.

Mnohé veliiny, pomocí kterých sledujeme prbh titrací však nejsou lineární funkcí rovnovážných koncentrací reakních složek. V takových pípadech titraní kivky vyjadují nelineární (nejastji logaritmickou) závislost sledované veliiny Y na vytitrovaném podílu, pop. objemu spotebovaného titraního inidla. Jako píklad si mžeme uvést titraní kivky acidobazických titrací, kdy sledujeme pH, tj. logaritmickou funkci aktivity proton v roztoku.

U nelineárních titraních kivek se bod ekvivalence projevuje náhlou zmnou smrnice, tj. inflexním bodem na kivce. Smrnice je v tchto pípadech obecn vyjádena derivací dY/da (dY/dV) a v inflexním bod dosahuje maximální hodnoty. Krom první derivace titraní kivky mžeme využít i druhé derivace d2Y/da (d2Y/dV), která má v inflexním bod nulovou hodnotu.

39

Obr. Titraní kivka silné kyseliny silnou zásadou

Titraní kivky acidobazických titrací Znázorují zmnu hodnoty pH se zmnou vytitrovaného podílu stanovované látky nebo

objemu pidaného titraního inidla. Jako titraní inidla se používají roztoky silných protolyt (kyselin a zásad), protože zpsobují výraznjší zmny pH v okolí ekvivalence.

V pípad, kdy spolu reagují silná jednosytná kyselina a silná jednosytná zásada, je na

zaátku titrace v roztoku samotná kyselina o urité poátení koncentraci. Pídavkem zásady dochází k neutralizaci kyseliny. Jelikož se jedná o logaritmickou závislost, vytitrováním poloviního množství kyseliny z množství pedcházejícího, dojde ke stejné zmn hodnoty pH,viz následující píklad:

zbylý podíl záporný potenciálový % zlomek kyseliny logaritmus skok0,5 0,005 0,995 0,0022 0,00221 0,01 0,99 0,0044 0,01795 0,05 0,95 0,0223 0,2788

50 0,5 0,5 0,3010 0,301075 0,75 0,25 0,6021 0,3010

87,5 0,875 0,125 0,9031 0,301093,75 0,9375 0,0625 1,2041 0,301096,88 0,9688 0,0313 1,5051 0,301098,44 0,9844 0,0156 1,8062

vytitrování kyseliny

40

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

0 20 40 60 80 100 120

% vytitrování kyseliny

mín

us

log

arit

mu

s zb

yléh

o p

od

ílu

kyse

liny

Obr. Matematické vyjádení vzniku titraní kivky

Píklady acidobazických titraních kivek

Obr. Titrace silné kyseliny silnou zásadou Obr. Titrace silné zásady silnou kyselinou

41

Obr. Titrace slabé kyseliny slabou zásadou Obr. Titrace slabé zásady slabou kyselinou

Obr. Titrace slabé kyseliny silnou zásadou Obr. Titrace slabé zásady silnou kyselinou

42

Acidobazická titrace vícesytné kyseliny

Obr. Titraní kivka kyseliny trihydrogenfosforené (ckys. = 0,1 mol l-1, czás. = 0,1 mol l-1)

Neutralizaní titrace Dlíme na alkalimetrii a acidimetrii. Acidimetrie je metoda, pi které se jako titraní

inidla používají odmrné roztoky kyselin a slouží ke stanovení zásad. Alkalimetrie používá odmrných roztok zásad ke stanovení kyselin.

Acidimetrie Nejastji používanými odmrnými roztoky jsou roztoky kyseliny chlorovodíkové nebo

kyseliny sírové o koncentracích 0,05 až 0,1 mol l-1. edním koncentrovaných roztok tchto kyselin se pipravují odmrné roztoky o pibližné koncentraci. Jejich pesná koncentrace (titr) se pak stanovuje pomocí základních látek. Pod pojmem základní látka se rozumí látka, která vyhovuje následujícím požadavkm:

− musí být snadno dostupná ve vysoké istot − pípadné neistoty nesmí pevyšovat 0,1 % a musí být snadno zjistitelné − její istota ani složení se nesmí mnit skladováním, nap. nesmí být hydroskopická,

nesmí samovoln reagovat se složkami vzduchu (kyslíkem, oxidem uhliitým) − její titrace odmrným roztokem musí mít stechiometrický prbh a snadno a pesn

indikovatelný konec − mla by být dobe rozpustná ve vod − má mít co nejvtší molární hmotnost, aby se snížila chyba zpsobená vážením

43

Ke stanovení titru odmrných roztok kyselin se používají tyto základní látky: 1. hydrogenuhliitan draselný (KHCO3) – odvážené množství se po rozpuštní

titruje podle reakce )()( 3223 KHCOnHnOHCOHHCO =+→+ ++−

pi vizuální indikaci se používají methyloranž, ped koncem titrace se z roztoku povaením vypudí CO2 a po ochlazení se dotitruje. 2. uhliitan sodný (Na2CO3) – ped vážením se suší pi 270 °C. Pi titraci na

indikátor methyloranž probhne reakce )(2)(2 3222

23 CONanHnOHCOHCO =+→+ ++−

Alkalimetrie Nejastji používanými odmrnými roztoky v alkalimetrii jsou roztoky alkalických

hydroxid o koncentracích 0,05 až 0,1 mol l-1. Lze je pipravit rozpuštním tuhých obchodních preparát, které však i pi nejvyšší deklarované istot obsahují asto jen kolem 90 % NaOH nebo KOH, zbytek tvoí neurité množství vlhkosti a zejména uhliitan. Pi titracích reaguje na indikátor fenolftalein nebo na methyloranž. Je zejmé, že koncentrace odmrných roztok hydroxid pipravených jakýmkoliv zpsobem je jen pibližná a vždy je nutné stanovit jejich titr. Jako základní látky v alkalimetrii se používají:

1. hydrogenftalan draselný (KHFtal) – odvážené množství se po rozpuštní titruje podle rovnice

)()(22 KHFalnOHnOHFTalOHHFTal =+→+ −−−−

2. dihydrát kyseliny šavelové (H2C2O4 2H2O) – tuto slabou dvojsytnou kyselinu

mžeme titrovat do II. stupn odmrným roztokem NaOH prostým uhliitanu na indikátor fenolftalein:

[ ]OHCOOHnOHnOHCOOOHCOOH 222222 2)(2)(2)(2)( =+→+ −−−

Chelatometrie Patí do skupiny komplexometrických metod. Umožuje stanovit prakticky všechny

ionty kov s výjimkou iont alkalických kov. Odmrným inidlem je roztok disodné soli kyseliny ethylendiamintetraoctové (Na2H2Y), která je dostupná ve form dihydrátu pod triviálním názvem chelaton 3. Obvykle se pipravují roztoky o pibližné koncentraci 0,01 až 0,1 mol l-1 rozpuštním odváženého množství ve vod. Pi vizuální indikaci se nejastji používá nkterý ze tí metalochromních indikátor: xylenolová oranž, eriochromová er T a murexid. Základní látkou v chelatometrii mže být:

1. chlorid olovnatý (PbCl2) – odvážené množství se za horka rozpustí ve vod a po úprav pH roztoku hexamethylentetraminem na hodnotu 5 se titruje na indikátor xylenolovou oranž z fialového do ist žlutého zbarvení

2. thiokyanatan dipyridinozinenatý [Zn(C5H5N)2(SCN)2] – navážka se rozpustí ve vod za pídavku amonného tlumie o pH 10 a titruje se na indikátor eriochromovou er T z fialového do ist modrého zbarvení.

3. uhliitan vápenatý (CaCO3) – navážka vysušeného CaCO3 se rozpustí ve zedné HCl, povaením se vypudí z roztoku CO2 a pomocí NaOH se roztok zalkalizuje na pH 12. Po pídavku indikátoru murexidu se titruje z erveného do fialového zbarvení.

44

Stechiometrie komplexotvorné reakce chelatonu 3 se všemi ionty kov je stejná a je vyjádena následující rovnicí:

)()( 22 YHNanMn n =+

Chelatometricky stanovujeme kovy pímou, zptnou nebo vytsovací titrací. Pímá titrace je nejastjší a lze takto stanovit ionty kov, reagující s chelatonem rychle a za tvorby stabilních komplex.

Zptnou titrací stanovujeme ionty kov, které jsou vázány ve sloueninách nerozpustných ve vod, avšak rozpustných v nadbytku roztoku chelatonu (olovo v PbSO4, vápník v CaC2O4 nebo hoík v MgNH4PO4). Sraženina se rozpustí ve známém nadbytku odmrného roztoku chelatonu a nespotebované inidlo se zjistí zptnou titrací odmrným roztokem hoenatých a zinenatých iont.

Vytsovací titrací stanovujeme ionty kov, pro které nemáme vhodný indikátor a které pitom tvoí stabilnjší komplex s chelatonem než s ionty Mg2+. K roztoku stanovovaného iontu pidáme pebytek roztoku chelatonátu hoenatého a probhne vytsovací reakce. Množství uvolnných hoenatých iont, pesn odpovídající pvodn pítomnému množství iont M2+, stanovíme titrací odmrným roztokem chelatonu.

Argentometrie Argentometrií se rozumí titrace odmrným roztokem rozpustné stíbrné soli (AgNO3),

taky srážecí titrace odmrnými roztoky halogenid i pseudohalogenid (obvykle se používají roztoky NaCl a NH4SCN nebo KSCN), pi nichž vznikají nerozpustné stíbrné soli.

Odmrné roztoky dusinanu stíbrného se vtšinou pipravují o pibližné koncentraci 0,01 až 0,1 mol l-1 rozpuštním navážky a jejich titr se stanovuje pomocí základní látky. Základní látkou je chlorid sodný (NaCl), který ped navažováním vysušíme pi 120 °C.

Argentometrie je v praxi využívána pedevším pro stanovení chlorid, bromid a jodid. Sulfidy a kyanokomplexy železa, které se rovnž srážejí stíbrnými ionty, se obvykle stanovují zptnou titrací. Ke stanovení bodu ekvivalence se velmi asto využívá potenciometrické indikace pomocí stíbrné elektrody nebo vhodných iontov-selektivních elektrod (chloridové, kyanidové apod.).

Oxidan-redukní titrace Dlí se podle charakteru titraních inidel na: oxidimetrii a reduktometrii. Oxidimetrie

zahrnuje metody, pi nichž se jako titraní inidla používají odmrné roztoky oxidovadel a slouží ke stanovení redukovadel. Patí sem manganometrie, dichromatometrie, bromatometrie a jodometrie. V reduktometrii se používají odmrné roztoky redukovadel ke stanovení oxidovadel. V praxi jsou mén využívány, nejznámjší je titanometrie, která se uplatuje pi stanovení redukovatelných organických látek.

Manganometrie Je to odmrná metoda, pi které se jako titraní inidlo používá odmrný roztok

manganistanu draselného. Oxidaní schopnosti manganistanu a prbh reakce závisí na prostedí v jakém titrace probíhá. V kyselém prostedí se ionty MnO4

- redukují na Mn2+

OHMneHMnO 22

4 458 +→++ +−+−

45

V neutrálním nebo slab zásaditém prostedí probíhá redukce MnO4

- na MnO2:

−−− +→++ OHMnOeOHMnO 432 224

Odmrné roztoky manganistanu draselného (KMnO4) o pibližných koncentracích 0,002 až 0,1 mol l-1 se pipravují rozpuštním tuhého preparátu v destilované vod. Titr odmrných roztok se stanovuje na tyto základní látky:

1. dihydrát kyseliny šavelové (H2C2O4 2 H2O) nebo šavelan sodný (Na2C2O4) – navážka látky se po rozpuštní a okyselení roztoku kyselinou sírovou titruje za tepla (60 °C) podle reakce:

5/)(25/)2(2)(

8210625

42224224

22

24422

OCNanOHOCHnMnOn

OHMnCOHMnOOCH

==

++→++−

++−

Konec titrace se v manganometrii nejastji indikuje vizuáln pomocí prvního postehnutelného ržového zbarvení roztoku pebyteným manganistanem.

2. oxid arsenitý (As2O3) – navážka látky, která je nerozpustná ve vod, se rozpustí v nezbytném množství roztoku NaOH a poté se roztok okyselí kyselinou sírovou. Vzniklá kyselina arsenitá se titruje podle reakce:

5/)(4)(

325625

324

22

43433

OAsnMnOn

OHMnAsOHHMnOAsOH

=

++→++−

++−

Zvýšení rychlosti reakce kyseliny arsenité s manganistanem se dosahuje pídavkem katalyzátoru chloridu jodného (ICl).

3. hexahydrát síranu amonnoželeznatého [(NH4)2Fe(SO4)2.6H2O, Mohrova sl] – po rozpuštní navážky se železnaté ionty titrují v roztoku okyseleném H2SO4:

( ) ( )[ ] 5/6.)(

4585

224244

223

42

OHSOFeNHnMnOn

OHMnFeHMnOFe

=

++→++−

+++−+

Manganometricky lze pímo stanovovat: peroxidy, cínaté, antimonité nebo arsenité soli.

Nepímo lze stanovit Ca, Sr, Ni, Co, Mn, Cd, Cu.

Dichromatometrie Jako titraního inidla se používá odmrného roztoku dichromanu draselného, který se

v kyselém prostedí redukuje na chromitou sl.

OHCreHOCr 232

72 72614 +→++ +−+−

Odmrné roztoky o koncentracích 0,002 až 0,1 mol l-1 jsou stálé a lze je pipravit pímo o pesné koncentraci rozpuštním odváženého množství K2Cr2O7, protože dichroman draselný je základní látkou. Titrace se nejastji provádjí v prostedí zedné kyseliny sírové.

Konec titrace se indikuje nejastji potenciometricky nebo se používá vizuálních redoxních indikátor difenylaminu, pop. benzidin. Lze tak stanovit Fe, oxidovatelné

46

organické látky jako jsou alkoholy. Alkoholy se dichromanem draselným v kyselém prostedí oxidují na píslušné karboxylové kyseliny (methanol až na CO2).

OHCrCOOHCHHOCrOHCHCH 23

327223 11431623 ++→++ ++−

Protože reakce alkohol probíhají pomaleji, používá se tém výhradn zptných titrací.

Pebytené množství odmrného roztoku dichromanu se stanoví titrací odmrným roztokem železnaté soli.

Bromatometrie Základem bromatometrických metod je reakce brominanu v kyselém prostedí

OHBreHBrO 23 366 +→++ −−+−

Odmrné roztoky o koncentracích 0,002 až 0,1 mol l-1 jsou stálé a lze je pipravit pímo

o pesné koncentraci rozpuštním odváženého množství brominanu draselného, protože brominan draselný je základní látkou. Titrace se provádjí v roztocích okyselených HCl.

Indikace konce titrace je nejastji založena na reakci prvního nepatrného pebytku brominanu se vzniklým bromidem, pi které se uvoluje brom:

OHBrHBrBrO 223 3365 +→++ +−−

Vznik bromu se projeví slab žlutým zabarvením roztoku, které není píliš zetelné a proto se používají indikátory methylerve nebo methyloranž. Používá se též biamperometrická indikace. Lze tak stanovit cínaté, antimonité, arsenité sloueniny a nkteré organické látky jako je hydrazin i fenol.

Jodometrie Pod pojem jodometrie zahrnujeme jednak titrace, pi nichž stanovujeme redukovadla

titrací odmrným roztokem jodu a jednak metody, pi nichž necháme reagovat oxidovadla s pebytkem jodidu a zjišujeme tak množství uvolnného jodu. Množství uvolnného jodu stanovíme roztokem thiosíranu nebo arsenitanu. Jodometrické metody jsou založeny na vratné reakci:

−− ⇔+ IeaqI 22)(2

Vzhledem k malé rozpustnosti jodu ve vod se používají 0,01 až 0,1 mol l-1 roztoky jodu

v roztoku jodidu draselného, ve kterém je jod lépe rozpustný. Jodometrická stanovení mžeme provádt v kyselém, neutrálním nebo slab zásaditém prostedí do maximální hodnoty pH 8.

Jako základní látky v jodometrii se používají: 1. oxid arsenitý (As2O3) – pro stanovení titru roztoku jodu v neutrálním nebo slab

zásaditém prostedí. Navážka se rozpustí v roztoku NaOH a poté zneutralizuje H2SO4 na indikátor fenolftalein. Slab zásadité prostedí se bhem titrace udržuje pídavkem NaHCO3, který neutralizuje jodovodík vznikající pi reakci:

47

)(2)()(

23

3232

3423

33

OAsnInIn

HIAsOOHIAsO

==

++→++−

+−−−−

Konec titrace se nejastji indikuje vizuáln pomocí škrobového roztoku. Rozpustná složka škrobu vytváí s prvním pebytkem I3

- intenzivn mode zbarvenou adsorpní sloueninu.

2. thiosíran sodný (odmrný roztok Na2S2O3 o známé koncentraci) – je pro stanovení titru roztok jodu v kyselém prostedí. Thiosíranové ionty reagují s trijodidovými ionty za vzniku iont tetrathionanových:

2/)()()(

3223232

2643

232

−−

−−−−

==

+→+

OSnInIn

IOSIOS

Titr roztoku thiosíranu se stanoví na základní látku K2Cr2O7 nebo KBrO3, jejichž známé množství se nechá v kyselém prostedí reagovat s pebytkem roztoku KI. Ty se pak titrují odmrným roztokem thiosíranu.

Jodometrií lze stanovit Sb, Sn, siiitany a sulfidy. Oxidovadla jako jsou ClO3-, BrO3

-, IO3

-, AsO43-, Cr2O7

2-, MnO4-, kationty Fe3+, Fe2+ a dále Cl2, Br2, H2O2 aj. oxidují kvantitativn

jodid na jod. Dále lze stanovit nkteré organické látky nap. formaldehyd nebo dvojné vazby nenasycených organických látkách = jodové íslo. Jodové íslo vyjaduje množství jodu v gramech, adované na 100 gram látky.

Titanometrie Jako odmrné inidlo se v titanometrii používá modrofialový roztok 0,05 až 0,1 mol l-1

chloridu nebo síranu titanitého asi v 3 %ní kyselin chlorovodíkové, který pi reakci s oxidovadly pechází na bezbarvou titaniitou sl:

+−+ ⇔+ 34 TieTi

Titrace je teba provádt v inertní atmosfée (CO2, N2), protože titanité ionty se snadno oxidují vzdušným kyslíkem. Základní látkou pro stanovení titru odmrného roztoku je dichroman draselný:

)(6)(

726146

7223

2342

723

OCrKnTin

OHCrTiHOCrTi

=

++→+++

+++−+

Konec titrace se indikuje vizuáln pomocí methylenové modi nebo se využívá

potenciometrické indikace. Praktické využití titanometrie je zejména pi stanovení nkterých organických látek, které lze titanitou solí v kyselém prostedí kvantitativn redukovat. Nap. nitro-, nitroso-, azo- a hydrazosloueniny se redukují na aminosloueniny:

OHTiNHRHTiNOR 24

23

2 2666 ++−→++− +++ Vzorek látky se redukuje známým nadbytkem odmrného roztoku titanité soli a nezreagované množství inidla se stanoví zptnou titrací odmrným roztokem dichromanu.

48

Elektroanalytické metody

Potenciometrie Pi analytických aplikacích potenciometrie se mí elektromotorické naptí

galvanického lánku a sleduje se závislost naptí na koncentraci stanovovaného iontu. Galvanický lánek se skládá z mrné elektrody, jejíž potenciál závisí na aktivit (koncentraci) stanovovaného iontu, a z elektrody referentní, která má konstantní potenciál. V galvanickém lánku, v nmž probíhají samovoln elektrochemické reakce na elektrodách, se mní chemická energie na elektrickou. Úbytek Gibbsovy volné energie (-∆G) se pitom rovná elektrické práci odevzdané lánkem okolí:

EFnG =∆− kde n je poet elementárních náboj vymovaných pi redoxní reakci v lánku, F je Faradayova konstanta (9,64846.104 C mol-1) a E je rovnovážné naptí lánku.

Referentní elektrody Jako referentní elektroda se velmi asto používá kalomelová elektroda. Kapka rtuti

a vrstva kalomelu (Hg2Cl2) jsou utsnny v tenké trubice, nahoe zatavené a opatené platinovým kontaktem. Dole je v nosné trubici elektrody zataveno azbestové vlákno, nebo je v ní malý otvor utsnný válekem husté frity. Na tchto porézních pepážkách se vytváí kapalinový spoj s nasyceným roztokem KCl. Kalomelová elektroda je charakterizována lánkovou poloreakcí

−− +↔+ ClHgeClHg 22222

ze které vyplývá vztah (Nernstova rovnice) pro elektrodový potenciál (pi 25 oC):

−−=Cl

o aEE log059,0

Nkdy se k mení používá chloridostíbrná elektroda, což je v podstat stíbrný drátek

potažený vyloueným AgCl a ponoený do roztoku chloridových iont.

−− +↔+ ClAgeAgCl −−=Cl

o aEE log059,0

49

Obr. Referentní elekrody dodávané k pH-metrm: a – kalomelová elda s azbestovým vláknem, b – kalomelová elda s porézní fritou, c – Rossova referentní redoxní elda s kapalinovým mstkem

Mrné (indikaní) elektrody Mezi mrné elektrody adíme takové elektrody, jejichž elektrodový potenciál se mní se

zmnou koncentrace tch iont, na které je mrná elektroda citlivá. Nejznámjší mrnou elektrodou je vodíková elektroda. Je v potenciometrii základní

elektrodou, nebo k jejímu standardnímu elektrodovému potenciálu, který je pi všech teplotách považován za nulový, jsou vztahovány elektrodové potenciály i hodnoty standardních oxidan-redukních potenciál. Vodíková elektroda se skládá z Pt plíšku, který je potažen platinovou erní a ponoen do roztoku H+ iont. lánkovou poloreakci vodíkové elektrody mžeme vyjádit rovnicí:

)()(

log2059,0

22 220

2 +−+ −=↔+

HaHa

EEHeH r

Vodíková elektroda se používá k mení pH ve vodných i ásten vodných

rozpouštdlech a ke zjišování pH standardních tlumivých roztok. Nkteré kovové elektrody jsou citlivé na svoje vlastní ionty. Nap. stíbrná elektroda

mní elektrodový potenciál podle zmn aktivity (koncentrace) stíbrných iont v roztoku. Redoxní elektrody z ušlechtilých kov (Pt, Pd, Au) reagují na zmny pomru látkových

koncentrací oxidované a redukované formy redoxního páru. Membránové elektrody, selektivní jen na urité ionty, se nazývají iontov selektivní

elektrody. Vznik elektrodového potenciálu se vysvtluje vytvoením membránového potenciálu, který vzniká na rozhraní dvou roztok, které jsou oddleny membránou.

Nejpoužívanjší membránovou elektrodou je sklenná elektroda, která se používá pro mení koncentrace vodíkových iont a je to nejpoužívanjší elektroda pro mení pH. Sklenná elektroda je tvoena membránou ze speciálního skla a je naplnna vnitním

50

roztokem o konstantní hodnot pH. Uvnit je umístna vnitní referentní elektroda, vtšinou chloridostíbrná. Sklo sklenná membrány uruje vlastnosti elektrody. Je tvoeno pevným silikátovým skeletem, kde dochází k výmnným reakcím. Na povrchu elektrody je pi styku s roztokem membrána asi do hloubky 100 nm hydratována a kationty alkalických kov mohou být zamnny jinými kationty z roztoku, zejména vodíkovými.

pHEE skl log059,00 −=

Z dalších membránových iontov selektivních elektrod se používají membránové

elektrody s tuhou membránou (kationtové i aniontové), nap. pro stanovení Cu2+, Pb2+, Cl-, Br-, I-, CN- nebo s kapalnou membránou, tvoenou iontomniem, nap. pro stanovení K+ a NH4

+.

Pímá potenciometrie Metoda, pi kterých pímo zjišujeme aktivitu i koncentraci nkterého iontu i

molekuly s pomocí lánku tvoeného mrnou a referentní elektrodou. Vtšinou používáme metodu kalibraní kivky, kde zjišujeme regresními metodami vztah mezi elektromotorickým naptím lánku a koncentrací píslušného iontu.

Potenciometrická titrace Sledujeme závislost naptí vhodn sestaveného lánku na objemu pidávaného

titraního inidla a z titraní kivky pak vyhodnotíme bod ekvivalence. V praxi je velmi rozšíená, protože je pracovn a pístrojov jednoduchá. Metody se snadno automatizují. Používá se tam, kde selhává vizuální indikace. Hlavn pi stanovení organických a anorganických látek v nevodných prostedích.

Potenciometrické titrace mohou být: neutralizaní (sklenná elektroda), srážecí (stíbrná elektroda v argentometrii, ISE citlivá na jeden ze srážených iont), komplexometrické (ISE citlivá na stanovovaný kation) nebo redoxní (platinová redoxní elektroda).

Tabulka - standardní elektrodové potenciály

Redoxní pár E0 (V) Redoxní pár E0 (V) Na+/Na -2,714 Cu2+/Cu 0,337 Zn2+/Zn -0,763 Fe3+/Fe2+ 0,710 Cd2+/Cd -0,403 Ag+/Ag 0,799 Fe2+/Fe -0,440 Cl-/AgCl/Ag 0,222 Fe3+/Fe -0,036 H+/O2(g)/Pt 1,229 H+/H2/Pt 0,000 MnO4

-/Mn2+/Pt 1,510

Konduktometrie Vodivostní (konduktomerická) mení se osvdují v analytické praxi, pokud sledovaná

složka vzorku výrazn ovlivuje vodivost roztoku. Vodivost je zpsobena migrací všech iont mezi elektrodami v roztoku. Je tedy aditivní veliinou, která je ovlivnna koncentrací, elektrickým nábojem a pohyblivostí jednotlivých iont.

Konduktometrie je vhodná nejen ke stanovení koncentrace elektrolytu na základ mení vodivosti roztoku (pímá konduktometrie), ale i k indikaci ekvivalence sledováním zmn vodivosti pi konduktometrických titracích.

51

Vodivost elektrického vodie pedstavuje konstantu úmrnosti v Ohmov zákonu I= (1/R) U a je pevrácenou hodnotou odporu; jednotkou je siemens, S = Ω-1. Elektrickou vodivost G uritého materiálu charakterizuje mrná vodivost:

GkGAl ==κ

která je vztažena na jednotku plochy A a na jednotku délky l vodie (má rozmr S m-1, resp. S cm-1). Pi mení vodivosti elektrolytu pedstavuje pomr vzdálenosti elektrod a jejich stejné plochy A odporovou konstantu nádobky k. U istého roztoku uritého elektrolytu závisí mrná vodivost na jeho koncentraci, stejn tak i molární vodivost. Proto se zavádí veliina molární vodivost, která pepoítává mrnou vodivost na jednotkovou látkovou koncentraci:

cκ=Λ

molární vodivost má jednotku S m2 mol-1. V roztoku silného elektrolytu migrují kationty a anionty psobením elektrického pole vzájemn opanými smry. Protože se kolem každého iontu vytváí iontová atmosféra obsahující ionty opaného náboje, anionty a kationty se navzájem brzdí, a to tím více, ím je koncentrace elektrolytu vyšší. Ve zedných roztocích silného elektrolytu se tedy molární vodivost zvyšuje, a to v závislosti na klesající koncentraci. Vodíkové a hydroxidové ionty mají velmi vysoké molární vodivosti. Vysokou pohyblivost tchto iont v roztoku vysvtlujeme penosem protonu na sousední molekulu vody (resp. ion OH-).

Pímá konduktometrie Stanovit koncentraci elektrolytu na základ pímého mení vodivosti roztoku je možné

je tehdy, jestliže je složení elektrolytu známé a konstantní. V roztocích obsahujících jen jednu látku je možno stanovit její koncentraci v širokém koncentraním rozmezí, kdy platí lineární závislost mrné vodivosti na koncentraci. V prmyslové praxi je pímá konduktometrie nejastjší pi rychlém ovování celkového obsahu solí rozpuštných ve vod (pramenité, íní i destilované), lze urit celkový obsah minerálních látek v cukrovarnických surovinách apod.

Tabulka – iontové molární vodivosti vybraných iont pi nekoneném zední

ion (S cm2 mol-1) ion (S cm2 mol-1) H+ 349,8 OH- 198,3 Na+ 50,1 Cl- 76,3 K+ 73,5 Br- 78,1 NH4

+ 73,6 I- 76,8 Mg2+ 106,1 NO3

- 71,5 Ca2+ 119,0 SO4

2- 160,0 La3+ 209,3 ClO4

- 67,4

Elektrogravimetrie Elektrogravimetrické metody jsou založeny na vážení produktu elektrochemické reakce.

Elektrochemická reakce, která pi elektrolýze probíhá v roztoku a na elektrodách, je systému vnucena psobením vnjšího naptí, které vkládáme na elektrody lánku. Pi tomto stanovení

52

dochází k úplnému vylouení stanovovaného kovu na pracovní elektrod a urí se pírstek její hmotnosti. Elektrogravimetrické metody jsou oceovány pro svou vynikající pesnost a správnost. Je-li možno volit takové složení elektrolytu, aby se zabránilo elektrolytickému vyluování jiných kov z roztoku, používá se jednoduché uspoádání – elektrolýza za konstantního proudu. Elektrolytické dlení stanovovaného kovu od jiného, který se vyluuje pi negativnjším potenciálu, lze uskutenit elektrolýzou za konstantního potenciálu pracovní elektrody.

Elektrody pro elektrogravimetrii se zhotovují z platiny. asto se používá Winklerova síková katoda a spirálová anoda. Tyto elektrody se zavšují do roztoku v kádince, kterou je teba pikrýt hodinovým sklíkem s výezem.

Obr. Elektrogravimetrické elektrody

Coulometrie Coulometrické stanovení je založeno na mení náboje, který je nutný k úplné chemické

pemn stanovované látky. Podle Faradayových zákon je hmostnost mB látky B vylouené na elektrod úmrná elektrickému náboji Q, který prošel lánkem. K redukci nebo oxidaci jednoho molu chemických ekvivalent se spotebuje náboj odpovídající Faradayov konstant (96 484,56 C mol-1), a tak platí

FzQM

m BB =

kde MB je molární hmotnost a z je poet elektron vymnných pi elektrodové reakci.

Coulometrická analýza se mže uskuteovat za konstantního potenciálu pracovní elektrody nebo za konstantního proudu (coulometrická titrace). Elektrodová reakce však musí na pracovní elektrod probíhat se 100%ním proudovým výtžkem. Znamená to, že vedle primární elektrodové reakce nesmjí probíhat vedlejší elektrodové reakce, ehož dosáhneme vhodnou volbou podmínek pro coulometrické stanovení. Rušivou vedlejší reakcí mže být elektrochemický rozklad rozpouštdla. Aby se omezila difúze elektrolytu mezi pololánky, vkládá se mezi elektrodu a anodový prostor diafragma.

Coulometrie za konstantního potenciálu (potenciostatická coulometrie) Pracovní elektroda se udržuje na potenciálu odpovídající hodnot limitního proudu

píslušné elektrodové reakce. Koncentrace látky v roztoku postupn klesá, klesá tedy

53

i hodnota limitního proudu. Nemžeme proto náboj vypoítat pouhým vynásobením I a t, ale intergací.

Coulometrie za konstantního proudu (coulometrická titrace) Pi coulometrické titraci se elektrický proud udržuje na pedem zvolené konstantní

hodnot. Náboj mžeme vypoítat násobením I a t, protože umíme mit hodnoty I a t velice pesn, mžeme velice pesn stanovit i malé množství vzorku (nap. až g). Pi této metod jsou titraním inidlem elektrony. Coulometrickou titraci lze rozdlit na primární a sekundární. Bhem primární titrace stanovovaná látka reaguje pímo na elektrod. U sekundární titrace stanovovaná látka reaguje s inidlem, které bylo vygenerováno reakcí na elektrod. Nap. pi stanovení SO2 se z roztoku jodidu vygeneruje jod, který pak reaguje s SO2 za vzniku síran. Sekundární titrace jsou velmi rozšíené, protože umožují stanovit velký poet látek. Generováním lze vytváet i inidla, která se obtížn pipravují nebo vyžadují inertní atmosféru. K indikaci konce titrací se nejastji používá biamperometrická titrace.

Obr. Coulometrická nádobka pro sekundární titraci

Polarografie Polarografie je voltmetrická metoda s jednou polarizovatelnou a jednou

nepolarizovatelnou elektrodou, ponoené do roztoku elektrolytu, na které vkládáme mnící se naptí a sledujeme procházející proud. Jako polarizovatelnou elektrodu volíme v klasickém provedení rtuovou kapkovou elektrodu, nepolarizovatelnou elektrodou je bu velkoplochá rtuová elektroda (rtuové dno) nebo nkterá z bžných referentních elektrod.

Polarizace elektrod Elektroda polarizací brání úinkm vnjšího vloženého naptí, tj. prchodu proudu I.

U dokonale polarizovatelné elektrody i malý proud zpsobí její polarizaci. Zapojíme-li do elektrochemického lánku dokonale polarizovatelnou a nepolarizovatelnou elektrodu a vložíme mezi n naptí Uv, budou reakcí takové zmny potenciálu dokonale polarizovatelné elektrody, které povedou k vytvoení polarizaního naptí Up kompenzující vložené naptí Uv. polarizaní naptí je dáno rozdílem potenciál polarizovatelné a nepolarizovatelné elektrody. Potenciál nepolarizovatelné elektrody je konstantní, proto reakcí na zmnu Uv je zmna

54

potenciálu polarizovatelné elektrody. Teprve po pekroení tzv. rozkladného naptí (rozkladného potenciálu pracovní elektrody) se na polarizovatelné elektrod zane vyluovat analyt a zane procházet elektrický proud I. Mohou nastat dva pípady:

Vnutíme-li pracovní elektrod vi srovnávací dostaten negativní potenciál, elektrony proudí do roztoku a zpsobují redukci redukovatelných elektroaktivních látek. Procházející proud oznaujeme jako redukní. Elektroda je katodou.

Vnutíme-li pracovní elektrod pozitivní potenciál, elektrony jsou oderpávány z roztoku, oxidovatelné elektroaktivní látky jsou oxidovány a pracovní elektrodou prochází oxidaní proud. Elektroda je anodou.

Rtuová kapková elektroda je tvoena kapkou rtuti, která se vytváí na konci sklenné

kapiláry. Kapilára je spojena se zásobníkem, ve kterém je zasunut vodivý drát (Pt). Vlastnosti kapiláry jsou charakterizovány dvma veliinami: dobou trvání kapky t (s), a hmotnostním prtokem mh (g.s-1). Výhodou této elektrody je stále se obnovující povrch a že peptí na Hg má vodík velké (0,8 V), což umožuje její použití i pi stanovení kov, které jsou v ad naptí za vodíkem (Zn, Al, Ba, Na, K), aniž dochází k rozkladu vody.

Bhem mení se registruje proud jako funkce potenciálu. Za pítomnosti depolarizátoru (látek, které podléhají elektrodovým reakcím) vznikají polarografické vlny, jejichž poloha uruje kvalitu a hodnota limitního proudu kvantitu. Další výhodou polarografie je, že se elektrolyzuje jen malé množství látky a stanovení je možné vícekrát opakovat s týmž vzorkem.

Závislost proudu na potenciálu znázoruje polarografická kivka: E1/2 je tzv. plvlnový potenciál, který je pro danou látku konstantní. Tvar polarizaní kivky závisí jen na polarizaci rtuové kapkové elektrody, která zase závisí na složení roztoku. Polarizaní kivka má ti oblasti:

a) oblast polarizace: vložené naptí nedosahuje hodnoty potebné k prbhu elektrochemické reakce. Proud je proto prakticky nulový. Nepatrná hodnota proudu se nazývá nabíjecí nebo kapacitní proud.

b) oblast depolarizace: proud je zpsoben redukcí látky na katod nap. Cu2+ + 2e- → Cu. Píslušné inidlo se nazývá depolarizátor (Cu2+, Zn2+, Ag+).

c) oblast limitního difúzního proudu: úbytek pemnných látek v okolí elektrody se vyrovnává difúzí. Velikost limitního difúzního proudu udáváme výškou vlny.

55

Obr. Polarizaní kivka

Každý depolarizátor snižuje polarizaci jinou mrou, což se projeví rzným umístním

vlny na ose naptí. Polohu vlny posuzujeme podle tzv. plvlnového potenciálu E1/2 (tj. difúzní proud dosáhne poloviní hodnoty limitního I). E1/2 má konstantní hodnotu nezávislou na koncentraci depolarizátoru (hodnoty jsou tabelovány). Je-li v roztoku více složek s dostaten odlišnými hodnotami E1/2 (o 0,2 V), vytváí každá složka svou vlastní vlnu. Získáme tak polarografické spektrum.

U vtšiny analýz je nutno odstranit kyslík z roztoku, protože se redukuje na katod a jeho polarografické maximum zastíní kivky jiných složek. Proto do roztoku zavádíme inertní plyn, nap. dusík.

Velikost difúzního proudu popisuje zkrácená Ilkoviova rovnice: Id = . c – pístrojová konstanta

Klasická polarografie Klasický polarograf umožuje rovnomrnou zmnu naptí vkládaného mezi pracovní

polarizovatelnou a srovnávací elektrodu, a tím zmnu potenciálu polarizované elektrody ve smru záporných nebo kladných hodnot. Sledujeme elektrický proud a ze záznamu kivky vyhodnotíme její polohu a výšku.

Diferenní pulzní polarografie Diferenní pulsní polarografie je mnohem citlivjší metodou než klasická polarografie.

Použitím visící kapkové elektrody s mechanickým odtrháváním kapek se výrazn snižuje spoteba rtuti. Naptí vkládané mezi polarizovatelnou a srovnávací elektrodu se mní po malých pírstcích pro každou novou kapku. Na konci každého pírstku naptí je vložen obdélníkový napový impuls. Proud je men vždy ped zaátkem pulsu a ped jeho koncem

56

a je zjištna diference mezi tmito proudy ∆I. Tato diference se vynáší v závislosti na vkládaném naptí. Touto technikou stanovit i nízké koncentrace 10-8 mol.dm-3.

Rozpouštcí voltametrie (stripping analýza) Stanovení elektroaktivních složek smsi se provádí nikoliv pi jejich vyluování na polarizovatelné elektrod, ale naopak pi jejich elektrolytickém rozpouštní. Jako polarizovatelná elektroda se používá stacionární rtuová kapková elektroda, pípadn elektrody z tuhých materiál (grafit, platina, zlato). Rozpouštcí voltametrie probíhá ve tech krocích:

1. vyluování stanovované látky elektrod za intenzivního míchání a pi konstantním potenciálu. Nahromadní se nechá probíhat desítky sekund až desítky minut, podle obsahu stanovované látky.

2. doba ustálení, kdy se vypne míchání a pípadn se vymní elektrolyt. 3. elektrolytické rozpouštní nahromadných produkt elektrolýzy se zahájí lineární

zmnou potenciálu a zaznamenává se rozpouštcí polarografická vlna Rozpouštcí voltametrií lze ve stopové analýze stanovit látky o koncentraci až 10-12 mol.dm-3.

57

Optické metody Soubor metod, jejichž spoleným znakem jej jejich mechanismus, založený na interakci

hmoty a elektromagnetického záení. Dále lze tyto metody dlit na spektroskopické (atomová spektrální emisní nebo absorpní analýza, hmotnostní spektrometrie, rentgenová a Ramanova spektrometrie, luminiscenní analýza) a nespektroskopické (refraktometrie, interferometre, polarimetrie). Pro mechanismus spektroskopických metod je typické, že se pi interakci s elektromagnetickým záením excitují nebo deaktivují atomy, molekuly, ionty i radikály, pop. jejich soubory, a hmota se záením si vymují energii. Proto jsou spektroskopické metody spojeny s absorpcí nebo emisí elektromagnetického záení. U nespektroskopických metod dochází pi prchodu záení vzorkem pouze ke zmnám jeho uritých vlastností, jako je rychlost, rovina polarizace apod. Rozdlení spektrálních oblastí podle vlnových délek elektromagnetického záení

Absorpce a emise Pi absorpci elektromagnetického (svtelného) záení nastává interakce elektrické složky

svtla s elektrickým polem molekuly, které je vytváeno pohybujícími se elektrony kolem jednotlivých jader atom. Elektrony se pohybují v orbitalech, jejichž energie jsou kvantovány. Jestliže elektrony zaujímají nejnižší energetické stavy, íkáme, že jsou v základním stavu. Podmínkou absorpce svtelného záení je existence dalších energetických kvantových stav molekuly, kterým íkáme excitované stavy. Absorbuje-li molekula svtelné záení, zaujmou elektrony vyšší energetické hladiny a dostanou se tak do excitovaného stavu.

58

Obr. Prbh absorpce a emise

Veliinu, která charakterizuje pravdpodobnost pechodu nazýváme molární absorpní koeficient εεεε. Je to veliina charakterizující strukturu sloueniny a je nezávislá na koncentraci látky, ale závislá na prezu absorbující ástice.

Pi emisi dochází nejprve k excitaci atom nebo molekul na vyšší energetickou hladinu.

Poté se molekuly nebo atomy vrací do základního stavu a pitom dochází k emisi záení. Ozáíme-li vzorek svtelným pulsem, vyzáení se dje po rzn dlouhou dobu. Luminiscence s krátkým dosvitem je oznaována jako fluorescence (< 10-5 s), luminiscence s dlouhým dosvitem jako fosforescence (> 10-4 s).

Pi absorpci záení molekula pejde na nkterou vibraní hladinu excitovaného stavu. Jde o proces velmi rychlý, trvající ádov 10-14 až 10-15 s. Molekuly v excitovaném stavu se pebytku energie rychle zbavují a pecházejí do základního vibraního stavu daného elektronového stavu a to nezáivými pechody. Tmto neradianím procesm íkáme vibraní relaxace.

Absorpní spektrometrie (spektrofotometrie) Je zejmé, že množství absorbovaného záení závisí na celkovém potu absorbujících

ástic, které interagují se svazkem paprsk, a tedy také na tloušce absorbujícího prostedí, kterým záení prochází.

59

Obr. Zeslabení toku záení 0 roztokem o koncentraci c a tloušce vrstvy b Pro konenou tloušku absorbující vrstvy tedy platí

abbb eneboe −−− ==ΦΦ=Φ=Φ 10

00

αα τ

kde τ je transmitance, α konstanta úmrnosti (napierovský absorpní koeficient), b je

tlouška absorpního prostedí, a je dekadický absorpní koeficient. Aby tento vztah platil, musí být splnny tyto pedpoklady:

1. dopadající záení musí být monochromatické 2. absorbující ástice (molekuly, atomy, ionty) se vzájemn neovlivují 3. dopadající svazek je tvoen vzájemn rovnobžnými paprsky, kolmými

k povrchu absorbujícího prostedí 4. všechny paprsky procházejí ve vzorku stejnou dráhu 5. absorbující prostedí je homogenní a nerozptyluje záení 6. tok záení není tak vysoký, aby zpsobil saturaní efekt (tzn. je vylouen stav,

kdy všechny ástice byly pevedeny do excitovaného stavu)

Hodnota absorpního koeficientu má tedy význam pouze pro uritou vlnovou délku a je samozejm závislá na vlastnostech absorbujících ástic i jejich koncentraci. Pak mžeme psát

cbA ετ =−= log což je Lambertv-Beerv zákon, ε - molární absorpní koeficient (l mol-1cm-1), b – tlouška vrstvy (cm), c – látková koncentrace (mol l-1). Zákon Lambertv-Beerv je pro praktickou aplikaci výhodný tím, že linearizuje vztah mezi absorbancí a koncentrací. Transmitance na koncentraci závisí exponenciáln a její použití je pinejmenším nepraktické. V praxi je však nezbytné ovit platnost L-B zákona, a proto se mí závislost absorbance na koncentraci stanovované složky.

V atomové i molekulové spektroskopii se absorbance mí vtšinou v maximu vhodného absorpního pásu molekuly. Dostaten široké pásy jsou ve viditelné a ultrafialové oblasti.

60

Optické pístroje používané v analytické chemii se zpravidla skládají ze 4 složek. Jedna složka, pomocná optika, tvoená soustavou oek, clon, zrcadel, odrazných hranol apod., vytváí a vede pístrojem svazek paprsk tak, aby bylo maximáln využito záivého toku zdroje. Druhou složku (základní optiku) tvoí zaízení plnící vlastní funkci pístroje (rozkladné hranoly, ohybové mížky, zeslabovací zaízení, filtry, polarizaní zaízení, kyvety atd.), tetí složkou jsou zdroje a tvrtou detektory záení (oko, fotografická citlivá vrstva, fotonky, násobie, fotoelektrické lánky). Materiál optiky musí být v tch oblastech vlnových délek, ve kterých pracujeme, dostaten propustný.

Zdroj záení u spektrofotometrie Pro spektrofotometrické stanovení se používá nejastji wolframová a halogenová

žárovka nebo deuteriová lampa. Wolframová žárovka je využívána pro rozsah vlnových délek 350 – 3000 nm. Energie

emitovaná z wolframového vlákna je pímo úmrná tvrté mocnin vloženého naptí. Znaná citlivost ke zmnám naptí znamená, že naptí musí být dobe stabilizováno.

Halogenová žárovka je wolframová žárovka s obsahem malého množství jodu v kemenné bace. Jod reaguje s plynným wolframem, který vzniká sublimací ze žhavého wolframového vlákna, a vytváí WI2. Tyto molekuly naráží na vlákno, jodid se rozkládá a wolfram se tak vrací zpt na vlákno. Halogenová žárovka má asi dvojnásobnou životnost než bžná wolframová žárovka. Je velmi úinná a její spektrum je rozprosteno až do ultrafialové oblasti. Je používána v mnoha moderních spektrofotometrech.

Deuteriová lampa je ideálním zdrojem pro ultrafialovou oblast záení. Elektricky excitovaný vodík nebo deuterium pi nízkém tlaku produkují kontinuální ultrafialové spektrum. Lampa emituje záení v rozsahu 160 – 375 nm. Lampa obsahuje kemenné okénko, protože sklo záení pod 350 nm absorbuje.

Detektor Nejastji se používají fotonky. Fotonka je sklenná banika se dvma elektrodami,

opatená okénkem propustným pro dané záení. Citlivou vrstvu fotokatody tvoí alkalický kov, nejastji cesium ve smsi s jiným kovem. Na složení závisí spektrální citlivost fotonky. Pedností fotonky je stabilita, okamžitý signál a pesná linearita.

Použití absorpní spektrofotometrie Ve viditelné oblasti se široce využívá pro stanovení kov, kationt i aniont. Výhodou

pístroj je relativn nízká cena, snadná mobilita zaízení pro rzné provozní aplikace, možnost snadné automatizace mení. Spektrofotometrická mení také dovolují zjistit oxidaní stav iont. Pro stanovení kov v roztocích je možné využít vlastní absorpce nkterých iont, jako je CrO4

2- nebo MnO4-. Pro vtšinu stanovení je však vlastní absorpce

kationt píliš slabá, a proto se využívá komplexotvorných reakcí, kterými se kationty pevádjí na barevné komplexy s podstatn vyšším molárním absorpním koeficientem.

Pro stanovení organických látek se využívá jejich absorpce v ultrafialové, viditelné i infraervené oblasti. Abychom mohli látku zmit, musíme jí nejprve derivatizovat. Tzn. že látku substituujeme, adujeme, eliminujeme nebo pesmykneme.

61

Atomová absorpní spektrometrie

Základní schéma metody:

Princip Pevedení vzorku do stavu volných atom (plynné fáze) pomocí zmlžovae za vysokých

teplot od 2 000 K do 3 000 K v atomizátoru (výjimku tvoí rtu). Následná absorpce vstupujícího záení (190 až 850 nm) volnými atomy pi vlnové délce, která je nejintenzivnjší pro daný prvek.

Zdroje záení v AAS K mení vzorku se používá lampa, která vyzauje záení o urité vlnové délce, které je

analyt schopný absorbovat.

Výbojka s dutou katodou

Obr. Výbojka s dutou katodou

Jsou konstruovány tak, že katoda výbojky je tvoena kovem, jehož emisní árové

spektrum chceme získat. Výbojka je naplnna plynem (Ar, He) o tlaku nkolika set Pa, který je vloženým naptím ionizován. Kladn nabité ionty plynu nejprve uvolní z katody atomy prvku, který je pak dalšími nárazy iont plynu i elektron excitován. Pi pechodu do základního stavu pak tento prvek emituje záení, které odpovídá pechodm mezi jeho elektronovými hladinami, a je tudíž pro tento prvek charakteristické. Výbojky s dutou katodou jsou konstruovány pro více než 60 prvk.

Bezelektrodové výbojky Jsou vhodné ke stanovení As, Se, Pb a P. Hlavní nevýhodou tchto výbojek je vysoká

cena speciálních napájecích zdroj a vlastních výbojek.

Zdroj záení

Atomi-zátor

Mono-chromátor

Detek-tor

Zprac. signálu

62

Superlampy Mají 5 až 75x vyšší intenzitu ar než výbojka s dutou katodou. Hlavní pedností je nižší

poizovací cena než u bezelektrodových výbojek, jejich velmi dlouhá životnost a zejména vyšší linearita kalibrací pro nkteré prvky.

Atomizátory Slouží k pemn prvku (analytu) na atomovou páru. Je také generátorem a rezervoárem

volných atom. Protože se u této metody jako analytická vlastnost využívá absorpce záení primárního zdroje, je nutné, aby pevážná vtšina vzniklých volných atom byla v základním energetickém stavu E0.

Plamenová atomizace Jako palivo se používá acetylen, oxidovadlem je podle požadavku vzduch nebo oxid

dusný. Plamen acetylen – vzduch dosahuje teploty 2 500 K, plamen acetylen – oxid dusný 3 000 K. Pro oba typy se používá pedem promíchaná sms plyn, která laminární proudí k ústí hoáku. Hoáky se používají šterbinové. Délka štrbiny je úmrná hodnot absorbance. K mení se používají dva typy hoák a to 50 a 100 mm dlouhé. Abychom mohli vzorek lépe atomizovat, musíme ho promnit na jemný aerosol, který se spolu s palivem a oxidovadlem kontinuáln zavádí do plamene. K tomu se nejastji používá pneumatický zmlžova.

Obr. Pneumatický zmlžova s mlžnou komorou

Elektrotermická atomizace Provádí se pomocí elektrotermického atomizátoru. Grafitový atomizátor ve tvaru

trubiky s dávkovacím otvorem uprosted je zasazen do grafitových kónus a vše je upevnno do masivních kovových držák. Elektrotermické atomizátory jsou zaízení vyhívaná na teplotu potebnou k atomizaci analytu elektrickým proudem. Krom ohevu na vysoké teploty je nutné atomizátor chladit. Pítomnost vzduchu v kyvet není žádoucí, takže atomizátor musí pracovat v inertní atmosfée (Ar).

63

Obr. Grafitová kyveta

Optický systém Patí sem oky, zrcadla, rotaní zrcadlové sektory a polopropustná zrcadla. V oblasti

AAS se jako disperzní prvky používají výhradn monochromátory. Hlavním úkolem monochromátoru je separovat uritý interval vlnových délek ze spektra. Správná volba šíky spektrálního intervalu mže být dležitým faktorem analýzy. Píliš úzký spektrální interval vede ke zvýšení šumu a tím zhoršení detekních limit, široký spektrální interval pak zase mže být píinou zhoršení linearity kalibraní závislosti zpsobenou špatnou eliminací rušivé neabsorbující áry ze spektra výbojky.

Detektory

Obr. Fotonásobi s boním vstupem (1 – kemenné okénko, 2 – fotokatoda, 3 – primární

elektrony, 4 – pomnožené sekundární elektrony, 5 – systém dynod)

64

Fotonásobi je evakuovaná sklenná baka se vstupním okénkem z vhodného materiálu, zpravidla z kemene. Uvnit je fotocitlivá katoda, anoda a systém dynod, kterých bývá 9 až 13. Celý fotonásobi musí být uzaven ve svtlotsném pouzdru a bývá umístn hned za výstupní štrbinou monochromátoru. Princip innosti spoívá v tom, že dopadem fotonu na svtlocitlivou vrstvu dojde k vyražení elektronu, který je urychlen v elektrickém poli a pitažen na první z dynod. Dopad elektronu na dynodu zpsobí vyražení nkolika sekundárních elektron (max. 4), které jsou pitahovány k další dynod, protože mezi jednotlivými dynodami je udržován potenciálový spád. Linearita odezvy fotonásobi je vysoká (5 až 6 ád). Použitelnost pro píslušnou spektrální oblast omezuje materiál fotokatody. Dopadající foton musí mít dostatenou energii pro vyražení elektronu.

Atomová emisní spektrometrie

Základní schéma metody:

Princip metody Emisní atomová spektrometrie (optická emisní spektrometrie) je založena na sledování

emise elektromagnetického záení volnými atomy látek v plynném stavu.

Budicí zdroje Dodávají energii potebnou pro vyvolání emise záení atomy vzorku. Vzorek pevádí

z tuhé fáze nebo roztoku do plynné fáze, ve které nastane atomizace a excitace elektron.

Jiskrový výboj Je opakující se krátkodobý vysokonapový elektrický výboj. V jiske se dosahuje teplot

více než 12 000 K, proto spektrum obsahuje mnoho ar. Pro výbornou reprodukovatelnost se používá hlavn v kvantitativní analýze kov. Stejn jako obloukový zdroj pracuje se dvma elektrodami. Elektrody jsou bu kovové nebo grafitové. Je-li analyzovaným vzorkem kov, mže být použit jako jedna z elektrod. Nevodivé vzorky jsou smíšeny s grafitovým práškem a umístny do prohlubn spodní elektrody.

Obloukový výboj Je trvalý elektrický výboj mezi dvma elektrodami, z nichž katoda je z kovového

vzorku. Spoteba vzorku je vtší než u jiskrového výboje. Dosahuje se teplot 4 000 až 8 000 K. ar je ve spektru mén, ale jsou díky trvalosti výboje intenzivní. Vzhledem k citlivosti je vhodný ke stanovení stopových prvk a ke kvalitativní analýze.

Budicí zdroj

Analyzátor

Zprac. signálu

65

Plazmový zdroj Dovoluje analyzovat vzorky v roztoku. Používá se indukn vázaný plazmový výboj

(Inductively Coupled Plasma – ICP). Plazma vzniká psobením vysokofrekvenního elektromagnetického pole pomocí indukní cívky v prostedí argonu a její teplota je až 10 000 K. Do ní je vnášen aerosol roztoku vzorku argonu. Plazmový hoák je z taveného kemene a je chlazen argonem nebo dusíkem. Plazmový zdroj umožuje analýzu velmi malých vzork i nekovových materiál s vysokou citlivostí. Je dnes nejrozšíenjším zdrojem.

Obr. Plazmová hlavice ICP

Analyzátory

Optický spektrometr Rozkládá záení budicího zdroje na jednotlivé spektrální áry a mí jejich intenzitu.

Záení se rozkládá pomocí mížky, která je zhotovena z keramického materiálu. Záení jednotlivých vlnových délek dopadá na výstupní štrbinu. Intenzita záení je mena fotonásobiem za výstupní štrbinou.

Hmotnostní spektrometr (kvadrupólový analyzátor) Vzniklé ionty vzorku separuje podle hodnoty podílu jejich hmotnosti a náboje m/z.

Analyzátor obsahuje tyi rovnobžné tyové elektrody. Na každou ty je pivádna stejnosmrná složka naptí (ádov stovky V) a souasn složka radiofrekvenního pole.Nastavení tchto hodnot peduruje trajektorii drah, po kterých se budou ionty mezi tyemi pohybovat. Pi daném nastavení mají stabilní trajektorii vedoucí k detektoru ionty práv urité hodnoty m/z. ostatní ionty k detektoru neprojdou.

66

Obr. Hmotnostní spektrometr s kvadrupólem (a – vstup vzorku, b – iontový zdroj, c – kvadrupól, d – detektor, e – vakuum)

Metoda AES se v praxi využívá jak ke kvantitativnímu, tak ke kvalitativnímu stanovení. Kvantitativní analýza využívá toho, že intenzita urité áry je úmrná potu atom prvku v plazm a závisí na její teplot. Nejastji pracujeme metodou kalibraní kivky. Nejdíve zanalyzujeme standardy se známým obsahem prvk a zjistíme závislost intenzity na koncentraci.

Kvalitativní analýza spoívá v identifikaci spektrálních ar vzorku. Používá se porovnání spektra neznámého vzorku se vzorkem standardním nebo porovnáním s atlasem ar, uloženým v pamti poítae.

67

Chromatografie Chromatografické metody pedstavují nejdležitjší ást všech separaních metod.

Primární rozdlení je podle skupenství mobilní fáze a to na plynovou a kapalinovou chromatografii a chromatografii s tekutinou v nadkritickém stavu. Další rozdlení je podle skupenství stacionární fáze, viz. následující tabulka. Tabulka: pehled nejdležitjších chromatografických technik

Fáze mobilní Fáze stacionární Chromatografická technika

Užívaný symbol

Kapalina na nosii

Plynová rozdlovací chromatografie

GLC Plyn (plynová chromatografie) Tuhá látka Plynová adsorpní

chromatografie GSC

Kapalina (polymer) vázaná na nosii

Kapalinová rozdlovací chromatografie

LLC

Kapalina v pórech sorbentu

Gelová permeaní chromatografie

GPC

Kapalinová adsorpní chromatografie

LSC

Kapalina (kapalinová chromatografie)

Tuhá látka

Iontov výmnná chromatografie

IEC

Tekutina v nadkritickém stavu

Kapalina (polymer) vázaná na nosii

Chromatografie s mobilní fází v nadkritickém stavu

SFC

V kapalinové chromatografii existuje další tídní podle formy lože sorbentu: rozlišujeme chromatografii sloupcovou a na tenké vrstv.

Teorie separace Separace využívá rzných fyzikálních, fyzikáln chemických a chemických vlastností

složek vzorku k tomu, aby byl vzorek rozdlen alespo na dva podíly odlišného složení. Cílem separace je zvýšení látkového zlomku jedné nebo více složek. Vtšina separaních metod je založena na rovnovážné distribuci složek vzorku mezi dv fáze. Na zaátku mžeme uvažovat systém se dvma fázemi, mezi kterými je distribuována jediná složka A. Po dosažení rovnováhy mže být distribuce složky A vyjádena distribuní konstantou KD, což je pomr celkových koncentrací této složky ve dvou daných fázích.

2

1, )(

)(

A

AAD c

cK =

Z rovnice je patrné, že KD, A bude konstantní pouze v oboru velmi nízkých koncentrací, jinak bude funkcí koncentrace složky A a pípadn dalších složek tvoících matrici vzorku. Pokud složka A existuje v obou fázích v jediné form, nap. molekulární, lze vyjádit vztah pro KD, A

pomocí rovnovážných látkových koncentrací:

68

[ ][ ] 12

21

2

1, )(

)(VnVn

AA

KA

AAD ==

kde [A]1 a [A]2 jsou rovnovážné látkové koncentrace ve fázích 1 a 2, V1 a V2 jsou objemy tchto fází, (nA)1 a (nA)2 jsou látková množství. V chromatografii se v itateli distribuní konstanty uvádí fáze stacionární.

Distribuci složky mezi dv fáze lze lépe popsat kapacitním pomrem kA. Ten je definován jako podíl látkového množství složky A v jedné fázi k látkovému množství téže složky ve fázi druhé:

2

1,

22

11

2

1

)()(

)()(

VV

KVcVc

nn

k ADA

A

A

AA ===

V chromatografii, pi popisu chování složek, pevládá používání kapacitních pomr.

Separace pedpokládá, že vzorek obsahuje minimáln dv složky, které mají být rozdleny metodami na základ fázových rovnováh, musí se lišit hodnotami KD. Pomr distribuních konstant dvou složek A a B se nazývá separaní faktor A, B.

B

A

BD

ADBA k

kK

K==

,

,,α

Princip chromatografické separace Chromatografie využívá dlení mezi dv fáze. Jedna je pohyblivá (plyn nebo kapalina)

a je nazývána jako mobilní fáze. Fáze nepohyblivá – stacionární mže nabývat v chromatografii nejrznjších forem. Nkdy jsou to ásteky tuhé látky o velikosti jednotek až stovek mikrometr, jindy je to tenká vrstvika kapaliny nanesená na tuhých ásticích, nebo tenký film kapaliny na vnitní stn kapiláry. Pro jednoduchost se používá název sorbent pro jakoukoliv formu fáze stacionární. Dále budeme pedpokládat, že sorbetem je naplnna kolona, pes kterou postupuje mobilní fáze. Sms látek, která má být dlena, bude oznaována jako vzorek a látky v ní jako složka 1, 2 atd.

Kolonou naplnnou sorbetem postupuje uritou rychlostí mobilní fáze. Na zaátek kolony vneseme vzorek, který obsahuje složky 1 a 2. Mobilní fáze unáší vzorek ke konci kolony, piemž ob složky postupují pomaleji než mobilní fáze, a z toho složka 2 pomaleji než složka 1. Pi postupu vzorku kolonou jsou molekuly složek bu v mobilní fázi, a potom se pohybují stejnou rychlostí jako mobilní fáze, nebo jsou zadržovány sorbetem, a potom se nepohybují vbec. Bhem prchodu kolonou každá molekula vzorku pejde mnohokrát z proudu mobilní fáze na povrch sorbetu a zpt. ím vtší interakce, tím složka vychází pozdji – má vtší retenní as.

69

Obr. Dlení složky A a B v chromatografii

Na výstupu z kolony vycházejí ob složky oddlené a šíky zón obou složek jsou vtší než je pvodní zóna vzorku a šíka zóny druhé vystupující složky je širší než zóna složky pedcházející. Takto popsané uspoádání se nazývá eluní chromatografie. Pístroje, na nichž se chromatografická separace provádí, se nazývají chromatografy. Záznam chromatografické separace je chromatogram. Samotným kivkám íkáme píky, chromatografické vlny nebo retenní kivky. Na ose y je odezva detektoru, která je funkcí koncentrace eluované složky v mobilní fázi. Na ose x jsou délkové jednotky (mm).

70

Obr. Chromatogram pi eluní metod

Plynová chromatografie (GC) Principem této separaní metody je rovnovážná distribuce složek mezi dv fáze:

plynnou-mobilní a kapalnou nebo tuhou-stacionární. Složky jsou separovány v plynné fázi. Pokud má být vzorek analyzován metodou plynové chromatografie, musí být všechny složky vzorku vypaeny definovaným zpsobem. GC je vhodná pedevším pro organické látky s teplotou varu asi do 400 oC. Podmínkou je, aby se látky pi vypaování nerozkládaly. Plynová chromatografie je vhodná i pro analýzu anorganických slouenin, ale pouze tch, které jsou tkavé. V nkterých pípadech lze analyzovat i látky netkavé, když tyto látky pevedeme na tkavjší deriváty – derivatizace.

Podle stacionární fáze je chromatografie dále dlena na plynovou adsorpní a plynovou rozdlovací chromatografii. Význam má hlavn plynová rozdlovací chromatografie.

Teorie GC Pedpokládáme, že se složka nacházející se jako pára nebo plyn v mobilní fázi, zásti

rozpouští v kapalné stacionární fázi. Tím, že ást složky byla absorbována ve fázi stacionární, došlo k ustavení rovnováhy. Plynná mobilní fáze posune neabsorbovanou ást složky dál a nad stacionární fází obsahující rozpuštnou složku se objeví mobilní fáze, která tuto složku neobsahuje. Tím dojde k porušení rovnováhy a k jejímu obnovení je teba, aby se ást složky z roztoku (ze stacionární fáze) vypaila. Pro vypaování složky z roztoku platí Raoultv zákon, který pi ideálním chování systému má následující tvar:

0AAA pxp =

kde pA je parciální tlak složky A v plynné (mobilní fázi), xA je látkový zlomek této složky v kapalné (stacionární) fázi a pA

0 je tlak par isté složky pi teplot systému a tlaku 101,325 kPa. V kapalné fázi je složka vystavena psobení intermolekulárních sil, což zpsobuje odchylku od Raoultova zákona. Pro reálný systém pechází rovnice na vztah

71

0AAAA pxp γ=

kde A je aktivní koeficient složky A v kapalné fázi, který pedstavuje korekci na neideální chování.

Uspoádání GC

Obr. Schéma plynového chromatografu: 1 – zásobník nosného plynu, 2 – regulace tlaku, 3 – regulace prtoku, 4 – dávkovací zaízení, 5 – detektor, 6 – termostat, 7 – chromatografická kolona, 8 – zesilova signálu, 9 – zapisova, 10 – digitální výstup

Mobilní fáze – nosný plyn Nosný plyn má za úkol obstarávat transport složek kolonou a pitom se sám neúastní

separaního procesu. Jako nosný plyn se používá helium, dusík, vodík, argon. K tomu, aby plyn proudil kolonou, která pedstavuje uritý odpor, je teba, aby na zaátku kolony byl tlak vyšší, než na jejím konci, kde je obyejn tlak atmosferický. Zdrojem nosného plynu je obvykle tlaková láhev opatená regulátorem tlaku. Nosný plyn má být vysoké istoty, bez vlhkosti a nemá obsahovat kyslík. Proto se do potrubí nosného plynu zaazují sušiky a absorbery kyslíku.

Prtok plynu se reguluje jemnými jehlovými ventily. Tlak plynu se mí manometrem nebo tenzometrickým idlem.

Kolony V plynové chromatografii jsou používány dva základní typy kolon: náplové a kapilární.

Náplové kolony jsou trubice ze skla nebo nerezové oceli, naplnné granulovaným materiálem. Jako nosi slouží kemelina o prmru ástic 0,1 až 0,15 mm. Na nosi bývá naneseno 3 až 15 % stacionární fáze.

Kapilární kolony jsou otevené kapiláry, kde funkci nosie zastávají vnitní stny kapiláry, které jsou pokryty kapalnou stacionární fází. Kapilární kolony se zhotovují z taveného kemene, jehož povrch je potažen vrstvikou polyamidu. Tato vrstvika odstrauje

72

kehkost kemene a kolony jsou pružné. Vzhledem k vyšší úinnosti se používají pevážn kapilární kolony. Kolona délky 50 m mže dosáhnout úinnosti 250 000 pater.

Podle zpsobu uložení stacionární fáze v kapilární kolon se rozlišují dva typy kapilárních kolon a to WCOT a PLOT. WCOT je kolona s tenkým filmem stacionární fáze naneseným pímo na vnitní stran kolony. Tlouška filmu bývá 0,1 a 1 m. Prmr i tlouška stny kolony se pohybuje ve stovkách mikrometr.

Obr. PLOT kolony

PLOT je kolona, kde na vnitní stn kapiláry je nanesena, pop. chemicky vytvoena z materiálu stny, pórovitá vrstva o tloušce kolem 10 m i vtší.

Vedle mechanicky nanesených fází rozeznáváme ješt kolony s vázanou stacionární fází. Ty mají stacionární fázi chemicky vázanou na vnitní povrch kapiláry, nebo spíše je stacionární fáze zpolymerizována.

Stacionární fáze v plynové chromatografii zadržují jednotlivé složky v závislosti na jejich distribuních konstantách. Stacionární fázi volíme podle charakteru vzorku a podle rozsahu teplot varu. Obecn platí, že zvolená stacionární fáze má být podobného typu jako analyzovaný vzorek. Používané fáze jsou na bázi polysiloxan. Krom toho se používají ješt další dv fáze: skvalan (isoalkan C30H62) jako fáze s nejmenší polaritou a Carbowax 20M (polyethylenglykol se stední molekulovou hmotností 20 000) jako siln polární stacionární fáze.

73

Detektory Plamenový ionizaní detektor (FID)

Obr. Plamenový ionizaní detektor (1 – tleso detektoru, 2 – plamínek, 3 – elektrody, 4

– výstup spalin, 5 – tryska hoáku, 6 – víko detektoru) K ionizaci dochází v miniaturním plamenu. Do nosného plynu vycházejícího z kolony

se v detektoru pidává vodík. Ionty, radikály a elektrony, které se vytvoí spálením komponent vycházejících z kolony, umožní prchod elektrického proudu mezi elektrodami. Jednotlivé konstrukní typy detektor se vzájemn liší pedevším tvarem a umístním elektrod. Mechanismus vzniku iont vysvtlujeme takto: v redukní zón plamínku dochází

ke krakování a k hydrogenaci uhlíkatých látek za vzniku radikál CH3., CH2

. i CH

.

energeticky bohatých iont H+ a fragment OH a O2H. mezi uhlíkatými radikály a kyslíkatými fragmenty dochází v oxidaní zón plamínku v prbhu spalování k exotermické reakci za vzniku dalších radikál. Uvolnná energie pitom zpsobuje jejich ionizaci za vzniku kationtu a elektronu. Odezva plamenového ionizaního detektoru vztažená na 1 mol vstupující látky závisí na potu aktivních uhlíkových atom v molekule, na charakteru vazeb mezi uhlíky a na potu neuhlíkových atom. Tento typ detektoru není citlivý na neuhlovodíkové plyny (H2, N2, O2, Cl2), H2O, H2S, COS, CS2, HCOOH, NH3, SiCl4 a oxidy S, N, C. Závislost plochy píku na hmotnosti analyzované složky je lineární v rozsahu asi 0,1 mg až 0,1 ng.

Detektor elektronového záchytu (ECD)

Podstatnou ástí detektoru jsou dv elektrody: editor, kde se jako zdroj mkkého radioaktivního záení užívá izotop 63Ni a kolektor. Nosný plyn je záením ionizován a mezi elektrodami prochází ionizaní proud. Detektor je zvláš citlivý na alkylhalogenidy,

74

konjugované karbonylové sloueniny, nitrily, nitráty a organokovové sloueniny. Citlivost pro halogeny se projeví až pi dvou a více atomech halogen. Detektor je vhodný pro analýzu pesticid.

Tepeln vodivostní detektor

Podstatnou ástí je tenké odporové vlákno umístné uvnit kovového bloku. Vláknem prochází konstantní elektrický proud a zahívá je na uritou teplotu. Jestliže detektorem prochází istý nosný plyn, je také teplota konstantní. Pokud projde eluovaná složka, zmní se teplota vlákna tím i elektrický odpor detektoru. Tepeln vodivostní detektor je univerzální, dává odezvu na všechny látky. Je málo citlivý a používá se hlavn pro analýzy neuhlovodíkových plyn.

Kvalitativní analýza Identifikace v chromatografii je založena na porovnání retenního asu nebo objemu

neznámé složky s retenním asem nebo objemem standardu pi stejných podmínkách chromatografického dlení. Pro porovnání namených výsledk se používá nkolik zpsob vyjádení retenních dat:

a) Pomocí specifických retenních objem – pedstavují istý retenní objem vztažený na 1 g stacionární fáze

b) Pomocí relativní retence vzhledem ke zvolenému standardu c) Pomocí retenních index

Kvantitativní analýza Kvantitativní analýze musí pedcházet mení plochy pík, které se v souasnosti

provádí výhradn digitálními integrátory. Po zmení ploch pík lze pistoupit k vlastní kvantitativní analýze nkterou z dále uvedených metod:

a) Vnitní normalizace – procentové složení smsi

100n

ii A

AA

=

b) Absolutní kalibrace – nkdy oznaována jako metoda vnjšího standardu.

Spoívá v dávkování známých množství analyzovaného vzorku a standardu za identických podmínek.

c) Metoda standardního pídavku

Kapalinová chromatografie Mobilní fází je kapalina. Nejrozšíenjší technikou je kapalinová rozdlovací

chromatografie (LLC) a o nco mén kapalinová adsorpní chromatografie (LSC). Další dv techniky, gelová permeaní chromatografie (GPC) a iontov výmnná chromatografie (IEC) jsou mén využívány, i když v nkterých oborech je jejich význam znaný. V kapalinové chromatografii hraje mobilní fáze v separaním procesu aktivní roli.

75

Teorie LLC Podstatou LLC je distribuce složek mezi kapalnou mobilní fázi a kapalnou fázi

nanesenou na povrchu tuhých ástic. K tomu, aby distribuce složek mohla probíhat, je teba, aby ob kapaliny byly nemísitelné.

V chromatografickém systému kapalinové rozdlovací chromatografie, v kolon, je fázový pomr Vm/Vs znan posunut ve prospch mobilní fáze. Má-li mít složka dostatenou retenci, je nutné, aby rozpustnost složky ve stacionární fázi byla podstatn vtší, než ve fázi mobilní. Chemicky vázané stacionární fáze v LLC jsou v naprosté vtšin nepolární (výjimen i stedn polární), což znamená, že mobilní fáze používaná v LLC musí být polární.

Dosažení rovnováhy pi distribuci složky A mezi fázi mobilní a stacionární mžeme vyjádit rovností chemických potenciál této složky v obou fázích:

(A)s = (A)m

Chemický potenciál složky A, A, v kterékoliv fázi mžeme vyjádit

AAA aRT ln0 += µµ kde A je chemický potenciál složky A ve standardním stavu a aA je aktivita této složky.

V rovnováze musí platit

0

)()(

ln AmA

sA

aa

RT µ∆−=

Pi známé skutenosti, že aA = A cA a s použitím rovnice 2

1, )(

)(

A

AAD c

cK =

dostáváme RT

K A

sA

mAAD

0

, exp)()( µ

γγ ∆−=

Stacionární fáze Základem vtšiny náplní, které obsahují chemicky vázanou stacionární fázi, je silikagel,

a to bu ve form pln porézních ástic nepravidelného tvaru nebo pln porézních kulovitých ástic. Chemicky vázaná stacionární fáze na tchto nosiích se získává vytvoením vrstviky chemicky vázaného silikonového polymeru. K modifikaci silikagelu se nejastji používá vazby Si – O – Si, když se silanolové skupiny na silikagelu nechají reagovat v nepolárním rozpouštdle nap. s oktadecyltrichlorsilanem. Takto upravený povrch silikagelu obsahuje urité množství silanolových a siloxanových skupin. Pokud tyto sorbety používáme v siln polární mobilní fázi, zbylé silanolové skupiny nevadí. Pi separacích v mén polárních rozpouštdlech, nebo pi separaci bazických složek, se však uplatní vliv silanolových skupin. Odstranní zbytkových skupin se dosáhne následnou reakcí sorbentu s inidly typu (CH3)3SiCl.

Chemicky vázané silikonové polymery jsou velmi odolné vi hydrolýze a teplu. Souástí silikonového polymeru je vždy uritá koncová funkní skupina, která podstatn

76

ovlivuje vlastnosti chemicky vázané fáze. V bžných komerních výrobcích se používají tyto typy funkních skupin:

1. uhlovodíkové (hydrofobní) skupiny – oktadecyl, C8H17-, C2H5-, CH3-, fenyl. 2. polární skupiny – nitrily, amino skupiny a dioly. V souasné dob pevládají nápln, které mají oktadecylovou funkní skupinu a jsou

používány v rozdlovací chromatografii s obrácenými fázemi.

Mobilní fáze V chromatografii s obrácenými fázemi se pracuje s polárními látkami. Používají se

alkoholy (methanol), nitrily (acetonitril), ethery (tetrahydrofuran, dioxin, diethylether). Tyto eluenty mají píliš velkou eluní sílu a proto se používají ve smsi s vodou. Rozpouštdla používaná jako mobilní fáze, mžeme seadit podle rostoucí eluní síly. Nejmenší eluní sílu má voda, teoreticky nejvyšší by mli nasycené uhlovodíky. Používaná rozpouštdla v poadí podle rostoucí eluní síly: voda, methanol, acetonitril, tetrahydrofuran, aceton. Stoupající eluní síla znamená, že rozpouštdlo s vyšší eluní silou je schopno eluovat složku z kolony v kratším retenním ase, než rozpouštdlo s menší silou. Vhodné eluní síly se dosáhne mísením dvou nebo tí rozpouštdel o rzné eluní síle.

Separované složky Vzhledem k charakteru nejužívanjší stacionární fáze (oktadecyl) jsou nejvíce

zadržovány n-alkany. Jejich retence roste se stoupající molekulovou hmotností. Mén jsou zadržovány polárnjší uhlovodíky – aromáty a halogenované uhlovodíky. Poadí organických látek podle klesající retence v RP-LLC je pibližn následující: alkany, aromáty, halogenované uhlovodíky, ethery, nitrosloueniny, estery, aminy, amidy, kyseliny, sulfokyseliny. Retence polárních složek je malá a látky, které jsou v mobilní fázi zcela disociovány, nejsou vbec zadržovány a jejich retenní as se rovná asu mrtvému. Retenní as lze ovlivnit použitím mobilní fáze o upravené hodnot pH. Zvýšením pH se zvýší eluní objemy bazických složek a sníží eluní objemy složek kyselých. Pi snížení pH docílíme efektu opaného.

Obr. Schéma interakcí v rozdlovací kapalinové chromatografii

77

Obr. Schéma interakcí v rozdlovací kapalinové chromatografii

Teorie LSC Kapalinová adsorpní chromatografie využívá interakcí mezi složkami vzorku a tuhou

fází - adsorbentem. Na zaátek kolony naplnné adsorbentem se vnese vzorek a pi promývání kolony eluentem se složky vzorku pohybují ve smru eluentu tím rychleji, ím mén jsou adsorbovány. Složky obsažené ve vzorku se pohybují kolonou rznou rychlostí podle toho, jak se liší jejich adsorpní distribuní konstanty.

O mechanismu adsorpce v kapalné fázi existují zhruba následující pedstavy: malé kulovité ástice adsorbentu jsou na poátku ve styku pouze s mobilní fází – eluentem. Molekuly eluentu obsadí celý povrch adsorbentu a jsou na tomto povrchu drženy silou, která odpovídá jejich adsorpní energii. Když se v mobilní fázi objeví analyt, jehož adsorpní energie je vtší než adsorpní energie eluentu, analyt je adsorbován a odpovídající poet adsorbovaných molekul eluentu je vytsnn z povrchu zpt do mobilní fáze. Pokud by adsorpní energie analytu, nap. složky A, byla menší než adsorpní energie eluentu, složka by prošla kolonou bez zadržení.

Stacionární fáze Pro kapalinovou adsorpní chromatografii jsou nejastji používány siln polární

adsorbenty kulovitého tvaru, které jsou pln porézní. Nejrozšíenjším adsorbentem je silikagel, který se ukázal vhodný v 90 % všech aplikací. V menší míe se používá alumina a Florisil.

Silikagel je polární adsorbent sumárního vzorce SiO2 x H2O. Povrch silikagelu je pokryt hydroxylovými (silanolovými) skupinami, které reagují s adsorbátem za tvorby vodíkových mstk. Charakteristickým rysem silikagelu je kyselost povrchu, která se pohybuje mezi pH=3 až 5. Kyselost zpsobuje silnou retenci látek bazického charakteru, nap. dusíkatých bází. Na vzduchu silikagel velmi snadno pijímá vodu, a proto je nutné silikagel aktivovat. Aktivace se provádí zahíváním na 180 oC po dobu 3 hodin. Aktivní silikagel se upravuje pídavkem vody v množství asi 2 až 6 hm. %.

Alumina je krystalická forma oxidu hlinitého. Povrch aluminy je pokryt aktivními centry, která vytváejí silné elektrostatické pole. Pi piblížení adsorbátu k povrchu vzniká v molekule indukovaný dipólový moment. Je vhodná k separaci izomer. Dležitým znakem aluminy je bazicita jejího povrchu, zpravidla pH = 8 až 11. To lze využít k dlení slab kyselých složek od látek neutrálních. U silnjších organických kyselin dochází k jejich

78

chemisorpci, takže tyto látky se na alumin dlit nedají. Aktivace aluminy se provádí zahíváním pi 400 oC po dobu 6 až 16 hodin.

Florisil je polární adsorbent, kemiitan hoenatý, jehož vlastnost leží mezi silikagelem a aluminou.

Mobilní fáze Pi použití siln polárních adsorbent platí, že mobilní fáze musí být nepolární nebo

slab polární. Polarita je v tomto pípad pímo úmrná eluní síle. Eluní síla je empirický parametr, jehož hodnoty byly stanoveny experimentáln. Stupnice hodnot je relativní a byla vztažena k eluní síle pentanu, jehož síla byla definována jako nulová. ím je eluní síla vtší, tím je eluent pevnji sorbován a separované složky jsou sorbovány mén – mají tedy kratší retenní asy. Rozpouštdla podle stoupající eluní síly: pentan, cyklohexan, benzen, ethylether, dichlormethan, aceton, 2-propanol, voda. Bžn používané binární eluenty obsahují hexan jako rozpouštdlo s nulovou eluní silou a 5 až 20 obj. % diethyletheru nebo dichlormethanu. Pokud plynule mníme složení mobilní fáze nazývá se tato technika gradientová eluní chromatografie.

Separované složky Stacionární fází v LSC je pevážn silikagel, což je polární adsorbent kyselého

charakteru. Z toho vyplývá i retence separovaných složek. Nejvíce budou zadržovány složky siln polární, nejmén složky zcela nepolární, n-alkany. Pi stejné polarit složek budou více zadržovány ty, které mají vtší molekulovou hmotnost.

Poadí organických látek podle klesající retence v LSC je následující: sulfokyseliny, amidy, aminy, alkoholy, estery, ketony, ethery, chlorované uhlovodíky, aromáty, nasycené uhlovodíky. Retence bazických složek na silikagelu mže být taková, že dochází k nevratné sorpci.

Obr. Interakce na nepolárních sorbentech

79

Obr. Interakce na polárních sorbentech

Instrumentace pro HPLC Sestává se z erpadla, zaízení na dávkování vzorku, kolony, detektoru

a vyhodnocovacího zaízení. erpadlo musí zajišovat konstantní prtok mobilní fáze (asi 0,1 až 10 ml min-1). Nejastji se používají pístová erpadla. K dávkování vzorku se používá šesticestný kohout s dávkovací smykou. Pi konstrukci kolon se vtšinou dává pednost rovným trubicím, jejichž délka se pohybuje mezi 10 až 50 cm. Pomr prmru ku délce se zachovává 1:20 až 1:100. Nejastji používané prmry jsou 2 až 6 mm. Materiálem kolony je nerezová ocel a tvrzené sklo. V kapalinové chromatografii jsou používány pevážn následující detektory:

1. optické (fotometrický, fluorimetrický, diferenciální refraktometr) 2. elektrochemické (voltmetrický a vodivostní)

Spektrofotometrický (fotometrický) detektor Je v kolonové chromatografii nejvíce rozšíen. Eluent vytéká z kolony do mrné cely.

Pístroj je vybaven deuteriovou výbojkou a mížkovým monochromátorem. Mže pracovat pi vlnové délce v rozsahu 220 až 600 nm. Hlavní nevýhodou tchto detektor je neschopnost zaznamenávat složky, které neabsorbují UV záení. Vhodné i pro gradientovou eluci. Tento detektor pracuje na bázi spektrometru.

Fluorimetrický detektor Podobný fotometrickému. Polychromatické záení prochází monochromátorem a dopadá

na celu, kterou protéká eluent z kolony a ást záení je absorbována. Emitované fluorescenní záení vstupuje do emisního monochromátoru. Záení pak dopadá na fotoelektrický násobi, kde se pemní na elektrický signál.

Jednoznanou pedností tohoto detektoru je jeho vysoká citlivost. V ad pípad je schopen detegovat eluovanou látku v koncentraci 10 až 1000x menší než fotometrický detektor. Další výhodou je znaná selektivita.

80

Voltametrický detektor Dovoluje zaznamenat velmi malé koncentrace organických látek, které jsou

elektrochemicky redukovatelné nebo oxidovatelné. Detektor mí proud mezi pracovní (polarizovatelnou) a pomocnou elektrodou v závislosti na vloženém potenciálu. Lze tak stanovit fenoly, trioly, peroxidy, aromatické aminy, ketony, aldehydy, nitrolátky, konjugované estery.

Ostatní chromatografické metody

Gelová permeaní chromatografie (GPC) Je pedstavitelkou nejjednoduššího separaního principu, mechanické separace na

základ rozdíl ve velikosti molekul dlených složek. Stacionární fází jsou malé kulovité ástice, které obsahují znané množství pór o definovaném prmru. Póry, práv tak jako celý ostatní prostor mezi ásticemi, jsou vyplnny mobilní fází. Mobilní fáze nemá jinou úlohu než transportovat složky kolonou. Složky podle svého prmru molekuly bu do pór vstupují, nebo pro svou velikost se do pór nedostanou a potom postupují kolonou stejnou rychlostí jako mobilní fáze.

Stacionární fáze pro GPC lze rozdlit na gely na bázi polystyrenu zesíovaného divinylbenzenem (pro dlení látek s molekulovou hmotností 102 až 104) a na silikagely a skla (103 až 106).

Výbr eluent nehraje v GPC tak dležitou roli jako u jiných typ kapalinové chromatografie. Eluent pímo neovlivuje separaní proces a proto pi jeho zmn, ve vtšin pípad, se poadí eluovaných složek nemní. Nejastji užívaným eluentem v GPC je tetrahydrofuran, toluen, methylenchlorid, o -dichlorbenzen, 1, 2, 4 – trichlorbenzen.

Obr. Permeace molekul rzné velikosti do póru gelu

Iontová chromatografie (IC) Je urena pro separaci iont a dalších nabitých ástic. ástice bez náboje procházejí

kolonou, pokud se neuplatní další separaní mechamismy, bez zadržení. K separaci dochází na mniích iont, které mají na svém povrchu chemicky vázané iontové skupiny a na nich jsou elektrostatickými silami drženy opan nabité protiionty. Tyto protiionty jsou shodné s jedním z iont, které tvoí mobilní fázi. Tém všechny výmny iont probíhají ve vodných roztocích. Separovány, a tedy i vymovány, mohou být jak záporn, tak i kladn nabité ionty a mnie iont se podle toho, jaké ionty vymují, nazývají katexy a anexy.

81

Katex má vázaná iontová místa se skupinami –SO3-, mobilní fází je zedná kyselina

chlorovodíková. Hydroxoniové ionty z kyseliny soutží o vázaná iontová místa na sorbentu se separovanými sodíkovými ionty. Retence sodíkových iont v kolon bude nepímo úmrná koncentraci kyseliny v mobilní fázi. Obecn bude platit, že ím bude mít mobilní fáze vyšší koncentraci iont, tím menší bude retence separované složky.

Základem stacionárních fází je tzv. nosi. Je to tuhá ástice, která mže být na bázi styren-divinylbenzenového kopolymeru, nebo je to porézní silikagel. Na nosii jsou chemicky vázaná iontová místa, která sebou nesou i píslušný protiion.

Katexy a anexy dlíme na siln a slab kyselé katexy nebo na siln a slab bazické anexy. Siln kyselým katexem je styren-divinylbenzenový kopolymer, který obsahuje sulfonové skupiny, -SO3

-H+. Slab kyselý katex obsahuje skupiny –COO-H+. Siln bazický anex obsahuje jako funkní skupinu kvarterní dusíkatou bázi, slab bazické anexy obsahují primární nebo sekundární amin.

Mobilní fáze jsou tvoeny vodným roztokem kyselin, zásad nebo solí a jsou charakterizovány koncentrací iont a jejich nábojem. Platí obecn pravidlo, že ionty s vtším nábojem jsou zadržovány více, než ionty s nábojem menším. Pi stejných nábojích platí další pravidlo, že vtší retenci má ion s vtší hmotností.

Pi separaci kationt se ionty eluují kyselinou chlorovodíkovou o koncentraci 0,01 mol l-1. K detekci slouží vodivostní detektor. Jeho princip je velmi jednoduchý. V malé komrce jsou umístny dv elektrody, které jsou napájeny stídavým naptím. Detektor registruje zmny vodivosti eluentu z kolony.

Pi separaci aniont se jako mobilní fáze používá roztok Na2CO3 a NaHCO3.

Obr. Interakce na iontov-výmnných sorbetech

Obr. Výmna iontu na povrchu iontomnie

82

Chromatografie na tenké vrstv (TLC) Technika TLC využívá bžných princip adsorpní kapalinové chromatografie. Liší se

pouze uspoádáním stacionární fáze do tenké vrstvy, namísto kolony. Mobilní fáze není erpána, ale nasávána kapilárními silami tenké vrstvy. TLC je velmi vhodná pro orientaní analýzy velkého množství podobných vzork. V základním vybavení je to metoda velmi levná a rychlá.

Hlavním prvkem TLC je chromatografická deska (15 x 15 cm) sklenná, hliníková nebo z plastu, na kterou je nanesena vrstvika sorbentu o síle 0,1 až 0,5 mm. Nejbžnjším sorbetem je silikagel, oxid hlinitý, celulóza, polyamid. Sorbent mže obsahovat nkolik procent pojiva: sádry v množství 5 až 10 hm. %, škrobu, vinylových slouenin apod. Desky se asto prodávají s pímsí fluorescenního indikátoru.

Ped použitím se mohou desky aktivovat zahátím v sušárn. Nkolik mikrolitr 0,1 až 1 %ního roztoku vzorku se nanese mikropipetou na oznaený start asi 1,5 až 2 cm od okraje desky. Pipravená deska se vyvíjí v uzavené komoe, jejíž atmosféra je nasycena parami mobilní fáze. Kapilárními silami vzlínající rozpouštdlo unáší jednotlivé složky vzorku rznou rychlostí. Potom se deska vyjme, usuší a rozdlené složky se lokalizují. Pi vyhodnocování se mí vzdálenosti stedu skvrny od startu a vzdálenost, kterou urazila mobilní fáze od startu.

V souasné dob se rozšíil pojem vysokoúinná tenkovrstvá chromatografie (HPTLC). Používají se menší zrna sorbet, menší rozmry desek (max. 10 x 10 cm) a menší prmr nanesených skvrn.

Obr. Srovnání TLC a HPTLC

83

Chemický a fyzikální rozbor vody Chemický a fyzikální rozbor vody zahrnuje stanovení jednotlivých chemických

a fyzikálních ukazatel vody. Je popsán v norm SN 75 7300. Podle rozsahu provedení rozeznáváme tyto rozbory:

• úplný a zkrácený • nebo také základní, rozšíený, speciální a provozní.

Pitná voda Požadavky na jakost pitné vody jsou u nás specifikovány od roku 1975. V SN 75 7211

Pitná voda jsou pedepsány maximáln pípustné hodnoty všech 44 chemických a fyzikálních ukazatel, které se u pitné vody sledují, a tímto je dán rozsah plného chemického a fyzikálního rozboru pitné vody.

Stanovení všech ukazatel pitné vody je pracné a asov nároné a proto se v praxi asto provádí zkrácené rozbory.

Základní chemický a fyzikální rozbor zahrnuje stanovení 14 základních ukazatel: teplota vody, pH, acidita, alkalita, formy CO2, oxidovatelnost, vápník a hoík, železo, mangan, amoniakální dusík, chloridy, dusitany, dusinany, vodivost.

Rozšíený chemický a fyzikální rozbor pedstavuje stanovení 23 základních ukazatel vody. Jsou to: teplota vody, barva, zákal, pach, chu, pH, acidita, alkalita, forma CO2, agresivita, oxidovatelnost, vodivost, veškeré rozpuštné látky a jejich ztráta žíháním, vápník, hoík, železo, mangan, amoniakální dusík, chloridy, sírany, dusitany, dusinany, fosforenany.

Povrchová voda Pro posuzování jakosti a pro klasifikaci povrchových vod platí norma SN 75 7220.

Tyto chemické a fyzikální ukazatele jsou rozdleny do 3 skupin: 1. kyslíkový režim: rozpuštny kyslík, BSK5, oxidovatelnost, (volný H2S) 2. základní chemické složení: rozpuštné a nerozpuštné látky, chloridy, sírany,

vápník, hoík 3. zvláštní ukazatele: teplota vody, pH, amoniak a amonné ionty, dusinany,

železo, mangan, fenoly, anionaktivní tenzidy, kyanidy, pach, zbarvení, oleje, pop. ropné látky.

Odpadní voda Pro kontrolu jakosti odpadních vod platí norma SN 83 06 04. K základním

ukazatelm, které norma ukládá stanovovat u všech druh odpadních vod, patí: 1. teplota 2. vzhled a barva 3. ukazatele acidobazické reakce – pH, alkalita, acidita 4. ukazatele kyslíkového režimu – CHSK, BSK5 5. další ukazatele: veškeré rozpuštné a nerozpuštné látky, ztráta žíháním

vysušeného zbytku, usaditelné látky (objemov) po plhodinové sedimentaci, extrahované látky.

84

Stanovení jednotlivých ukazatel vod

Senzorické vlastnosti vody Teplota

Teplota vody se mí ihned pi odbru. Mení teploty se provádí ponoením teplomru pod vodní hladinu, piemž se musí vylouit pímý slunení svit. Výsledky se udávají ve oC po zaokrouhlení na 0,1 oC.

Chu

Zjišuje se pouze u pitných vod, které jsou bakteriologicky nezávadné a neobsahují toxické látky. Stanovuje se subjektivn a vyjaduje popisem. Hodnotí se 4 základní chuti: slaná, hoká, sladká, kyselá. Voda mže mít také rzné píchuti (nap. kovová, houbovitá, svíravá, mdlá, železitá, zatuchlá, zemitá).

Pach

Je zpsoben tkavými pachotvornými látkami, které se dostávají do vody pirozenou cestou nebo odpadními vodami. Mohou být také produktem biologických proces a rozkladu organických látek (sulfanem, pesticidy, asami, plísnmi).

Pach se stanovuje u vod pitných, povrchových i odpadních. Uruje se smyslovými zkouškami pi teplotách 20 a 60 oC.

Vzorky k urení pachu se nekonzervují, analýzu je nutno provést co nejdíve, nejpozdji do 12 hodin. Vlastní provedení ichové zkoušky je následující: do Erlenmayerovy baky se zábrusem o objemu 500 ml se odmí 250 ml zkoušené vody. Baka se pikryje hodinovým sklem a vytemperuje na požadovanou teplotu. Pak se obsah baky promíchá a ichem se zjišuje pítomnost a druh pachotvorných látek. Intenzita pachu se vyjaduje v šesti stupních (žádný, velmi slabý, slabý, znatelný, zetelný, velmi silný).

Prhlednost

Prhlednost vody je dána její barvou a zákalem. Mí se výškou sloupce vody, pes nhož lze ješt pozorovat bílou desku, nebo peíst písmo urité velikosti.

Pokud se provádí stanovení prhlednosti vody v terénu, používá se tvercová deska o délce strany 20 cm bíle natená a upevnná na závsu s vyznaenou délkou v cm. Deska se ponoí pod hladinu a odete se hloubka, pi níž pestane být vidt. Výsledky se udávají v cm.

Pi laboratorním stanovení se uruje prhlednost vody ve sklenném válci o prmru 2,5 cm a výšce 50 cm. Pod válec se podloží itelné vzorové písmo vysoké 3,5 mm a pilévá se do nj promíchaný vzorek vody. Sleduje se, pi jaké výšce vrstvy je písmo již neitelné.

Barva

Barva vody mže být zapíinna látkami rozpuštnými, ale i nerozpuštnými. Pi hodnocení jakosti vody se stanovuje barva zpsobená rozpuštnými látkami, nerozpuštné látky se jako rušivé odstraují.

U povrchových vod se na zbarvení podílejí pedevším huminové látky a sloueniny FeIII. Zpsobují žluté až ervenohndé zbarvení. Barva pírodních vod, jejichž zbarvení je zpsobeno pevážn huminovými látkami, se uruje následovn: do Nesslerova válce se odmí 50 ml vzorku a jeho barva se vizuáln porovnává s barvou smsi roztok chloroplatiitanu draselného a chloridu kobaltnatého. Výsledky se vyjadují jako obsah Pt v mg na 1 litr vody.

85

Zákal Zákal vody je zpsoben nerozpuštnými nebo koloidními látkami jak organického, tak

anorganického charakteru. Zákal se mí u vod bu turbidimetrickou nebo nefelometrickou metodou. Pi

turbidimetrickém stanovení zákalu se porovnává zákal vzorku se zákalem standardu formazinové suspenze spektrofotometricky mením v procházejícím svtle.

Souhrnné ukazatele jakosti vody Veškeré rozpuštné a nerozpuštné látky

Obsah rozpuštných i nerozpuštných látek ve vod je dležitým chemickým ukazatelem jakosti vody. Pítomnost veškerých látek ve vod se zjišuje odpaením odmeného množství homogenního vzorku vody na vodní lázni, vysušením odparku do konstantní hmotnosti pi 105 oC a zvážením. Výsledek se udává v mg/l.

Pítomnost nerozpuštných látek se stanovuje jejich kvantitativním zachycením z pesn odmeného objemu homogenního vzorku na filtru, vysušením pi teplot 105 oC do konstantní hmotnosti a zvážením.

Vodivost

Ukazuje na obsah iont a tím na koncentraci rozpuštných disociovaných látek. Obsah iont se mí vodivostní elektrodou. Mení vodivosti mže být rušeno nerozpuštnými látkami.

pH

Hodnota pH vody se uruje bu spektrofotometricky nebo potenciometricky. Potenciometrické stanovení lze užít tehdy, jestliže analyzovaný vzorek má dostatenou iontovou sílu. Ke stanovení pH se používá sklenná elektroda.

Neutralizaní kapacita

Je schopnost vody vázat urité množství kyseliny (kyselinová neutralizaní kapacita) nebo zásady (alkalická neutralizaní kapacita) do pedem zvolené hodnoty pH.

Kyselinová neutralizaní kapacita je dána spotebou jednosytné kyseliny pi titraci 1 litru vody do zvolené hodnoty pH. Alkalická neutralizaní kapacita je pak dána spotebou jednosytné zásady pi titraci stejného množství vody do zvolené hodnoty pH. Výsledek se udává v mmol l-1.

Chemická spoteba kyslíku

Je definována jako množství kyslíku, které se za pesn definovaných podmínek spotebuje na oxidaci látek ve vod silným oxidaním inidlem. Udává se jako hmotnost kyslíku, která je ekvivalentní spoteb oxidaního inidla na 1 litr vody v mg l-1.

Na základ stanovené hodnoty CHSK se dá usuzovat na celkový obsah organických látek ve vod, nebo ty se pi stanovení uplatují. Stanovení CHSK je nedílnou souástí každého rozboru všech typ vod.

V souasné dob se ke zjištní obsahu látek schopných oxidace používají dv metody. U pitných vod se provádí titrace manganistanem draselným – tzv. Kubelova metoda. Oxidace probíhá v pebytku manganistanu v prostedí zedné H2SO4 pi desetiminutovém varu, úbytek manganistanu se zjistí tak, že po ukonení oxidace se do reakního prostedí pidá známé množství standardního roztoku kyseliny šavelové, která se zptn titruje KMnO4. Vedle organických látek je nutno poítat také s oxidací dusitan, sulfanu, sulfid, pop. chlorid.

86

Obsah látek schopných oxidace v odpadních vodách se zjišuje titrací dichromanem draselným. Oxidace probíhá v siln kyselém prostedí za dvouhodinového varu a za spolupsobení katalyzátoru Ag+ iont. Za tchto podmínek dochází k oxidaci i velmi stabilních látek. Množství spotebovaného dichromanu se zjistí na základ známého objemu standardního roztoku K2Cr2O7 použitého ke stanovení a odmrným stanovením dichromanu roztokem železnaté soli na indikátor ferroin. Stanovení je siln rušeno pítomností chlorid. Tyto ionty jednak tvoí sraženinu s katalyzátorem (Ag+), jednak podléhají oxidaci s dichromanem, což vede k pozitivní chyb stanovení. Jejich pítomnost je nutné maskovat Hg2+ ionty.

Dichromanová metoda není vhodná pi hodnocení jakosti pitných vod a málo zneištných vod.

BSK – biochemická spoteba kyslíku

Biochemická spoteba kyslíku je definována jako množství kyslíku spotebované mikroorganismy pi biochemickém rozkladu organických látek pítomných ve vod za aerobních podmínek. Vyjaduje se v mg O2 l-1. Získaný údaj je nepímým ukazatelem obsahu organických látek, které jsou biologicky rozložitelné.

Nejastji používaná metoda je ptidenní – BSK5. Vzorek vody se nasytí kyslíkem, jehož obsah se stanoví. Další podíl vzorku se umístí do termostatu, kde pi 20 oC bez pístupu svtla a vzduchu se ponechá po dobu 5ti dní a opt se stanoví obsah rozpuštného kyslíku. Bhem celé inkubace je nutné, aby bylo ve vzorku dostatené množství kyslíku. Pokud by se jednalo o vzorky píliš zneištné, hrozí nebezpeí, že se pítomný kyslík úpln vyerpá díve než za 5 dní. V takovém pípad je poteba pvodní vzorek naedit.

Vody, které neobsahují mikroorganismy (desinfikované i sterilizované) je nutno naedit okovanou edící vodou.

Metody stanovení anorganických plyn ve vod Rozpuštný kyslík

U povrchových vod patí stanovení kyslíku k nejdležitjším stanovením. Obsah rozpuštného kyslíku se vyjaduje hmotnostní koncentrací mg.l-1 a v procentech nasycení vody kyslíkem, vztažených k rovnovážné koncentraci kyslíku ve vod za dané teploty a atmosférickému tlaku. Kyslík je nutno na míst odbru ihned fixovat, piemž je nezbytné zaznamenat teplotu vody a atmosférický tlak.

Ke stanovení rozpuštného kyslíku podle normy se užívá klasická jodometrická titraní metoda. Princip jodometrického stanovení spoívá v reakci kyslíku v alkalickém prostedí s hydroxidem manganatým za vzniku hydroxidu manganitého podle reakce:

3222

22

)(22/1)(2

)(2

OHMnOHOOHMn

OHMnOHMn

→++→+ −+

který po okyselení vzorku oxiduje pítomný jodid na jod a pechází zpt na ion

manganatý. Vylouený jod se pak stanoví titrací odmrným roztokem thiosíranu na škrob.

−−−

+−+

++

+→+

+→+

+→+

264

2322

223

23

3

22

222

33)(

OSIOSI

IMnIMn

OHMnHOHMn

87

Stanovení kyslíku ruší jednak látky, které v alkalickém prostedí oxidují hydroxid

manganatý a složky, které v kyselém prostedí oxidují jodid na jod – Cl2, H2O2, Fe3+,Mn3+, NO2-, MnO4

- a nkteré organické látky. Chlor

Chlor dnes patí k nejastji používaným prostedkm k desinfekci vody. Ve vod se dobe rozpouští a reaguje podle rovnice:

+− ++→+ HClHClOOHCl 22

Pod pojmem aktivní chlor se rozumí všechny formy chloru, které oxidují v kyselém

prostedí jodidy na elementární jod. Ke stanovení se nejastji používají metody odmrné, spektofotometrické a polarografické. Výsledky se udávají v mg Cl2 /l vody. Klasicky se aktivní chlor stanovuje jodometricky, na základ uvolnní ekvivalentního množství jodu z roztoku jodidu, okyseleného kyselinou octovou, který se stanoví titrací odmrným roztokem thiosíranu sodného na škrobový maz. Stanovení ruší vtší obsah organických látek, dusitany, mangan a železo.

Amoniakální dusík

Sleduje se ve všech typech vod, u pitné vody slouží jako indikátor zneištní živoišnými odpady. Ke stanovení se používá spektofotometrická metoda s Nesslerovým inidlem, dále barevná reakce s fenolem a chlornanem.

Spektrofotometrická metoda s Nesslerovým inidlem je založena na reakci amoniaku v alkalické prostedí s tetrajodortunatanem sodným nebo draselným za tvorby oxidimerkuriaminjodidu:

[ ] OHIINHOHgOHNHHgI 2223

24 2732 ++→++ −−−

Vzniklý produkt je málo rozpustná žlutohndá látka, která pi malých koncentracích

tvoí žlutohndé koloidní roztoky, jejichž barevná intenzita se stanovuje pi vlnové délce 425 nm. Stanovení ruší aminy, chloraminy, aceton, aldehydy a alkoholy. V jejich pítomnosti je nutno NH3 ze vzorku vydestilovat a stanovení provádt v destilátu.

Indofenolová metoda stanovení amoniakálního dusíku je založena na reakci amoniaku s chlornanem za pítomnosti fenolu za vzniku indofenolu, který je v alkalickém prostedí intenzivn mode zabarvený. Stanovení ruší dusíkaté látky, které za podmínek stanovení uvolují amoniak, dále m, sulfidy, kyanidy a hoík. Nutnost vydestilovat NH3.

Metody stanovení kov ve vodách Kovy ve vodách se nejastji stanovují pomocí atomové absorpní spektrometrie nebo

pomocí optickou emisní spektrometrií s indukn vázaným plazmatem. Ostatní instrumentální metody se využívají minimáln. Sodík a draslík

Ke stanovení se užívá pedevším plamenové emisní fotometrie a atomové absorpní spektrofotometrie. U obou metod se k atomizaci sodíku a draslíku používá chemický plamen, vzniklý hoením smsi acetylen – vzduch. Mí se velikost emitovaného (i absorbovaného)

88

záení, vyvolaného excitovanými volnými atomy stanovovaného prvku, které je úmrné koncentraci stanovovaného kovu. Vápník a hoík

Obsah vápníku a hoíku se uvádí také pod názvem tvrdost vody. Stanovení tchto kov lze provést chelatometrickou titrací chelatonem 3 na eriochromovou er T v prostedí amoniakálního pufru o pH 10. S uvedenými kovy vzniká vínov ervený komplex, který po titraci pechází na ocelov modrou. Stanovení je rušeno ionty kov, které v daném prostedí reagují s chelatonem 3 nap. Zn2+, Pb2+, Cd2+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+. K jejich maskování lze použít pídavku NH2OH . HCl nebo Na2S a triethanolamin.

Železo

Ke stanovení železa se nejastji používají spektrofotometrické metody. Železité ionty reagují v kyselém prostedí s thiokyanatanem za vzniku erven zbarveného produktu. Metoda je vhodná ke stanovení železa v koncentracích nad 0,05 mg.l-1.

Ke stanovení obsahu Fe2+ ve vod lze využít barevnou reakci s o-fenanthrolinem.

Mangan Ke stanovení manganu se používá spektrofotometrická metoda po oxidaci Mn2+ na

manganistan pop. metoda AAS. Spektrofotometrické stanovení manganu: sloueniny manganu lze v kyselém prostedí

oxidovat peroxodisíranem za pítomnosti Ag+ iont a zvýšené teplot na manganistan.

+−−−+ ++→+++

HSOMnOOHOSMn Ag 16102852 2442

282

2

Metoda je vhodná ke stanovení manganu v rozsahu koncentrací 0,1 mg.l-1 a výše.

Stanovení ruší chloridy, železo a organické látky.

M M se stanovuje spektrofotometricky reakcí s Kupralem. Cu2+ ionty reagují

v amoniakálním prostedí za pítomnosti chelatonu 3 s diethyldithiokarbaminanem sodným (Kupralem) za vzniku hndé sraženiny, která je rozpustná v chloroformu za vzniku žlutého roztoku. Ke stanovení lze opt použít metodu AAS a polarografii.

Zinek

Zinek lze stanovit spektrofotometricky pomocí barevné reakce zinenatých iont s dithizonem. Vzniklý dithizonan zinenatý je ervené barvy a lze jej vytepat do chloroformu. Metoda je velmi citlivá, umožuje stanovit koncentrace 0,005 – 0,03 mg zinku na litr. Možné stanovení metodou AAS a polarograficky.

Chrom

Chrom se vyskytuje ve vodách bu jako CrIII nebo CrVI. V pitných a povrchových vodách se stanovuje veškerý obsah chromu, v odpadních vodách se rozlišuje trojmocná a šestimocná forma.

Ke stanovení veškerého chromu lze využít metodu absorpní spektofotometrie po reakci s difenylkarbazidem. Chromany a dichromany reagují za vzniku ervenofialov zbarvené komplexní sloueniny. Intenzita vzniklého zabarvení se mí po extrakci reakního produktu do amylalkoholu.

Šestimocný chrom se stanoví pímo ve vzorku, veškerý chrom po oxidaci peroxodisíranem. Další používaná metoda AAS.

89

Metody stanovení anorganických aniont ve vodách Fluoridy

Ke stanovení fluorid ve vodách se nejastji používají metody spektrofotometrická a potenciometrická. Potenciometrické stanovení fluorid je založeno na mení potenciálu iontov selektivní elektrody, jehož hodnota závisí na aktivit fluoridových iont ve vzork. Fluoridová elektroda je realizována krystalem LaF3. Poskytuje odezvu k F- a OH- iontm. Interferenci OH- iont lze potlait úpravou pH na hodnotu 5 až 6. Za optimálních podmínek se mohou ve vod stanovit obsahy nad 2 ppb. Pro mení je nutné používat tlumivé roztoky, kterými se souasn nastavuje konstantní koncová síla a které obsahují složky schopné vázat interferující kationty do stabilních komplex (Fe3+, Ti4+, Al3+).

Chloridy

Vzhledem k pomrn vysokým obsahm chlorid ve všech typech vod, slouží k jejich stanovení metody odmrné – argentometrická i merkurimetrická titrace. Pro rychlé stanovení se osvdila iontov selektivní chloridová elektroda.

Dusitany

Dusitany jsou ve vod nestálé, proto je nutno vzorky analyzovat ihned po odbru. K jejich stanovení se využívá schopnosti kyseliny dusité diazotovat aromatické aminokyseliny. Vzniklé diazoniové soli jsou kopulovány s jiným arylaminem za vzniku azobarviva, vhodného pro spektrofotometrické vyhodnocení. Stanovení ruší nerozpuštné látky, barva, zákal, silná oxidaní a redukní inidla.

Dusinany

Ke stanovení dusinan ve vodách slouží nejastji metody spektrofotometrické, u istých vod metody polarografické i potenciometrické s použitím dusinanové ISE. Spektrofotometrické stanovení dusinan je založeno na nitraci kyseliny salicylové dusinany pítomnými ve vzorku v prostedí koncentrované H2SO4. Vzniklé produkty jsou žluté, zbarvení je stálé až 24 hodin. Stanovení v siln mineralizovaných vodách ruší jak anionty tak kationty, které jsou ve vod bžn zastoupeny.

Sírany

Ke kvantitativnímu stanovení se používají metody odmrné nebo izotachoforetické. Titraní stanovení síran dusinanem olovnatým je založeno na reakci síranových iont s ionty Pb2+, kdy vzniká málo rozpustná sraženina síranu olovnatého. Konec titrace je indikován barevnou zmnou dithizonu ze zelené do fialov ervené. Stanovení ruší všechny kationty s výjimkou alkalických kov a NH4

+, proto je nutné kationty odstranit. Titraní stanovení síran chloristanem barnatým je založeno na reakci síranových iont

s iontem barnatým za vzniku málo rozpustného síranu barnatého. Bod ekvivalence je indikován thorinem.

Kyanidy

Veškeré kyanidy se uvolují HCN destilací z prostedí kyseliny sírové za pítomnosti hoenaté soli, která podporuje rozklad i komplexních kyanid železa. Vlastnímu kvantitativnímu stanovení slouží bu odmrná argentometrická metoda (pro koncentrace nad 2 mg l-1) nebo spektrofotometrická metoda (nad 0,002 mg.l-1). Kyanidy lze stanovit také membránovými ISE. Argentometrické stanovení kyanid je založeno na titraci kyanidu stíbrnou solí, kdy se vyluuje bílá sraženina kyanidu stíbrného.

90

Analýza polutant v ovzduší Emise – mení koncentrace škodlivin v míst jejich vypouštní do volného ovzduší (komíny, vtrací šachty, výfuková potrubí atd.). Imise – škodliviny rozptýlené a pozmnné reakcemi v ovzduší.

Do ovzduší se dostává velké množství škodlivin, asi 90% plynných látek a zbytek tuhé a kapalné ástice. Biologická agresivita ady tchto látek vedla k tomu, že byly zavedeny nejvyšší pípustné koncentrace (NPK) uritých škodlivin. Pro NPK jsou v našich i zahraniních zákonných pedpisech zavádny zpravidla dv hodnoty. Je to NPK krátkodobá (stední hodnota okamžitých koncentrací za dobu 30 minut) a Kd (za 24 hodin).

Sloueniny síry

SO2 – oxid siiitý Patí mezi hlavní zneišující souásti ovzduší. Pi bžných koncentracích, cca

0,1 mg m-3, oxid siiitý dráždí oi a horní cesty dýchací. Pi koncentraci 0,5 mg.m-3 psobí na innost mozkové kúry a pi 2,5 mg m-3 dochází ke snížení prchodnosti v plicích.

Oxid siiitý bhem urité doby pechází fotochemickou nebo katalytickou reakcí na oxid sírový. Vzniklý oxid sírový je okamžit hydratován vzdušnou vlhkostí na aerosol kyseliny sírové. Ta mže reagovat s prachovými alkalickými ásticemi v ovzduší za vzniku síran. Sírany se postupn usazují na zemský povrch nebo jsou z ovzduší vymývány srážkami.

Ke stanovení SO2 v ovzduší lze použít celou adu metod. Bžn jsou používány následující metody:

a) Fluorimetrická b) Coulometrická c) Fotometrická d) Titraní

a) Fluorimetrická metoda je založena na excitaci molekul SO2 UV záením vlnové délky

190 – 230 nm. Pedností metody je její vysoká selektivita, nebo jiné sloueniny stanovení neruší.

b) Coulometrická titrace slouží ke zjišování krátkodobých hodnot koncentrací SO2 a je základem nkterých automaticky pracujících monitor. Mený vzduch se probublává vodným roztokem, který obsahuje Br2, KBr a H2SO4. Pitom probíhá reakce:

HBrSOHOHBrSO 22 42222 +→++ Chemická reakce zmní redox-potenciál a mrné elektrody dají impuls generaním elektrodám, které vyprodukují odpovídající množství Br2 a vrátí systém do pvodního stavu. Zaznamenává se proud, který je potebný k uskutenní této reakce. Doba potebná k mení je dána asovou konstantou pístroje, která nebývá vtší než nkolik minut. Pro selektivitu stanovení je rozhodující druh a kvalita selektivních filtr. Nejmenší stanovitelné koncentrace jsou zpravidla vyšší než 20 µg m-3.

c) Fotometrická metoda slouží ke zjištní prmrných hodnot koncentrací SO2. Oxid siiitý je absorbován roztokem tetrachlorortunatanu sodného a po pídavku formaldehydu dává hydroxymethylsulfonovou kyselinu. Ta reaguje s pararosanilinem za vzniku vínov erveného zbarvení, které umožuje fotometrické stanovení.

91

[ ] [ ][ ] 232

232

23222

24

2)(

22)(

HgClHSOCHHOHHCOHSOClHg

HClSOClHgOHSOClHg

+−−→++

++→+++−

+−−−

Po skonení odbru se odpipetuje absorpní roztok do odmrné baky o objemu 10 ml. Pidá se 1 ml roztoku formaldehydu, 1 ml roztoku pararosanilinu a odmrná baka se doplní po znaku erstvým absorpním roztokem. Fotometrické stanovení se provádí 20 minut po pidání pararosanilinu, kdy zabarvení má konstantní hodnotu. Vzorky se mí pi vlnové délce 560 nm. Nejmenší detegovatelná koncentrace se pohybuje kolem 10 µg m-3. Metoda je vysoce selektivní. NO2, Cl2, CS2 zpsobují systematickou chybu cca 5%.

d) Titraní metoda slouží ke zjištní prmrných hodnot koncentrací SO2 nad 2 µg m-3. SO2 je sorbován v roztoku H2O2 s KCl (pH = 4,5). Pitom dochází k oxidaci na kyselinu sírovou. Po absorpci se roztok titruje roztokem tetraboritanu sodného, potenciometricky s použitím sklenné elektrody.

3342274242

42222

45 BOHSONaOHOBNaSOH

SOHOHSO

+→++→+

Metoda se hodí ke stanovení prmrných koncentrací. Její pedností je nenáronost na technické vybavení. Nevýhodou je malá selektivita, nebo další kysele reagující složky ovzduší (SO3, NO2, HCl) zvyšují výsledky, zatímco zásadit reagující imise (NH3) výsledky snižují.

SO3 – oxid sírový Okamžit reaguje se vzdušnou vlhkostí a vytváí aerosol kyseliny sírové. Hlavním

zdrojem SO3 je oxidace SO2. Ke stanovení aerosolu kyseliny sírové je možno použít fotometrickou a turbidimetrickou

metodu. Ob metody urené ke stanovení prmrných koncentrací používají k zachycení aerosolu papírový filtr preparovaný roztokem hydroxidu draselného. Pes filtr umístný v držáku se prosaje odmené množství vzduchu. Potom se filtr vylouží vodou a do vodného roztoku se dostanou síranové ionty z rozpustných síran.

Fotometrická metoda je založena na reakci síranových iont s chloranilem barnatým. Vodný výluh se perkoluje pes katex v H+ cyklu, aby se zachytily kationty. K získanému eluátu se pidá pevný nerozpustný chloranilan barnatý. Reakcí s kyselinou sírovou vznikne síran barnatý a rozpustná kyselina chloranilová, jejíž roztok je ervenofialov zbarven. Intenzita zbarvení se mí fotometricky pi 540 nm. Touto metodou se dá stanovit ješt 100 µg H2SO4 zachycené na filtru.

Turbidimetrická metoda mí snížení záivého toku procházející kyvetou pi vlnové délce 420 nm. Vodný výluh se penese do kyvety s míchadlem. Za stálého míchání se zmí absorbance. Poté se do kyvety pidá krystalický chlorid barnatý a znovu se mí absorbance. Metoda stanoví spolehlivé koncentrace kyseliny od 5 mg 1-1 výše.

92

H2S – sulfan Zdrojem sulfanu v ovzduší jsou pedevším biochemické procesy pi rozkladu

organických látek a vulkanická innost. V menší míe to jsou emise z prmyslu pi výrob sulfátové celulósy, pi rafinaci ropy, v koksovnách.

Sulfan se v malých koncentracích (pod 0,1 mg m-3) projevuje nepíjemným, obtížným zápachem. Ve vyšších koncentracích se uplatuje jeho toxicita. Nebezpeí spoívá v tom, že sulfan ochrnuje ichové nervy, takže zápach mizí a dochází rychle ke smrtelné otrav.

Ve vzduchu se sulfan rychle oxiduje, prakticky bhem jednoho dne, na SO2 a dále na H2SO4. Ke stanovení se používají následující metody:

a) Fluorimetrická b) Fotometrická c) S iontov selektivní elektrodou d) Chromatografická

Pro volné ovzduší picházejí do úvahy pouze první dv metody:

a) Fluorimetrická metoda je založena na oxidaci sulfanu na oxid siiitý a na fluorimetrickém stanovení SO2. Mez stanovitelnosti je 1 µg m-3.

b) Fotometrické metody mohou být použity dv. Starší je založena na tvorb methylenové modi, novjší na reakci H2S s jodinanem. Pi vzniku methylenové mode je teba prosát 10 až 100 litr vzduchu do 10 ml absorpního roztoku (Cd(OH)2). Druhá metoda používá jako absorpní roztok 10 ml 2% octanu zinenatého s 2,5 ml suspenze hydroxidu cíniitého. Je teba zase prosát impingerem 10 až 100 litr vzduchu. Do 50 ml baky se odmí 5 ml jodinanu draselného, 5 ml kyseliny sírové, 5 ml Pyroninu G a 5 ml chloridu sodného. Do roztoku se pidá suspenze z impingeru. Po doplnní baky na 50 ml a zatepání se obsah penese do dliky a tepe s 5 ml benzenu. Benzenová vrstva se oddlí, vysuší bezvodým síranem sodným a v 1 cm kyvet se mí absorbance pi 535 nm proti slepému pokusu. Metoda je vhodná pro stanovení prmrných koncentrací sulfanu v ovzduší a dává lineární odezvu pro 0,05 až 0,6 µg H2S.

c) Metoda s využitím ISE je vhodná pro stanovení krátkodobých hodnot vyšších koncentrací sulfanu cca 0,1%. Vzorek plyn prochází absorbérem, kde souproudn postupuje 0,1 M NaOH. Vzniklý roztok sulfidu sodného je erpán do mrné cely opatené ISE sulfidovou, nasycenou kalomelovou eldou a míchadlem.

d) Metody chromatografické pro stanovení malých koncentrací sulfanu, oxidu siiitého a thiol nejsou zatím píliš rozšíené, nebo se projevují potíže zpsobené reaktivitou stanovovaných látek a jejich adsorpcí na náplni kolon, stnách kolon a v dávkovacím systému.

Sloueniny dusíku

NOx – oxidy dusíku Psobení bakterií v anaerobních podmínkách je hlavním zdrojem dalšího pirozen se

vyskytujícího se oxidu dusíku, NO. Oxidace NO na oxid dusiitý, tvorba nitrát a další mechanismy limitují stední dobu existence jak NO, tak i NO2 v atmosfée na 3 až 4 dny.

Oxidy dusíku zvyšují oxidaní potenciál atmosféry a nepízniv psobí na vnitní orgány. Pedpokládá se, že NOx se v krvi váží na ervené krevní barvivo a zhoršují penos kyslíku z plic do tkán. Ve vyšších koncentracích psobí NOx dráždiv na dýchací cesty.

Ke stanovení NOx jsou používány následující metody:

93

a) Chemiluminiscenní b) Fotometrická c) Coulometrická d) Nkteré další

a) Chemiluminiscenní metoda je založena na tchto reakcích:

hvNONO

ONOONO

+→

+→+

2*2

2*23

Oxid dusnatý je oxidován ozonem na NO2, piemž ást molekul pejde do metastabilního excitovaného stavu NO2*. Z tohoto stavu pechází okamžit zpt do základního stavu za vyzáení svtelného kvanta. Emitované záení se mí pi vlnové délce 700 až 900 nm. Metoda umožuje stanovení okamžitých koncentrací NOx. Nejmenší detegovatelné množství je asi 1 µg.m-3. Metoda je vysoce selektivní, nebo ostatní složky ovzduší nedávají chemiluminiscenci pi této vlnové délce.

b) Fotometrická metoda je založena na absorpci NO2 v kyselém prostedí v roztoku kyseliny octové a sulfanilové s následnou diazotaní a kopulaní reakcí. Absorpce mže probíhat i v alkalickém prostedí 0,1 M NaOH s pídavkem methoxyfenolu. ervené zabarvení se mí fotometricky pi 560 nm. Fotometrická metoda umožuje stanovení prmrných koncentrací NO2 v ovzduší. Specifická chemická reakce zajišuje metod vysokou selektivitu.

c) Coulometrická metoda umožuje stanovení NO2 v ovzduší podle reakce:

HIHNOIOHNO +→++ 3222 2/1 Ke stanovení slouží automatický analyzátor totožný s tím, který je používán ke stanovení SO2. Metoda umožuje stanovení krátkodobých koncentrací NO2.

d) Jiné metody: plynová chromatografie, infraervená spektrometrie.

NH3 – amoniak Patí mezi bžné kontaminanty. Dráždí horní cesty dýchací a v koncentraci 5000 ppm

(v/v) rychle usmrcuje. Také je pvodcem chemického smogu. K jeho stanovení se používá pístroj urený pro stanovení NOx chemiluminiscenní metodou. Vzduch urený k mení se vede trubicí z nerezové oceli zahátou na 750 oC. Vrstvika oxid v trubici zoxiduje amoniak na oxid dusnatý a ten je stanoven spolen s NO pítomným ve vzduchu.

CO – oxid uhelnatý Pevážná ást je produkována nedokonalým spalováním fosilních paliv. Oxid uhelnatý

je siln toxický. S krevním barvivem vytváí velmi pevný karboxyhemoglobin, což vede k omezení penosu kyslíku z plic do krevního obhu. V ovzduší pechází fotochemickou oxidací na CO2. Oxidace probíhá velmi pomalu.

Ke stanovení CO se používají následující metody: a) Infraervená spektrometrie b) Chromatografická c) Titraní d) Nkteré další

94

Chromatogragická metoda umožuje diskontinuální stanovení CO v krátkých asových

intervalech. Dobré dlení se provádí na kolonách délky 1 až 2 m plnných molekulovým sítem. K detekci slouží plamenový ionizaní detektor, který deteguje množství methanu vzniklé reakcí CO a vodíku v pítomnosti Ni katalyzátoru. Nejmenší stanovitelná koncentrace CO iní asi 0,1 mg.m-3. Pedností GC je její selektivita, nebo možné interferující složky jsou na kolon oddleny.

Metoda titraní je založena na oxidaci CO oxidem jodiným. Vzorek je veden vrstvou I2O5 pi teplot 130 až 140 oC. Uvolnné páry jodu jsou jímány v odmrném roztoku arsenitanu o známém titru. Nezreagovaný arsenitan je stanoven zptnou titrací jodem.

HIAsOOHAsOI

ICOOICO

2

55342

332

2252

+→++

+→+−−

Oxid uhelnatý je možno katalyticky oxidovat na CO2, nap. na oxidu mnatém pi

700 oC. CO2 se potom absorbuje v hydroxidu barnatém a stanoví se titran nebo gravimetricky.

Znaný význam má použití detekních trubiek, které indikují pítomnost CO na nkterých rizikových pracovištích. Trubiky obsahují silikomolybdenanový komplex a palladnatou sl jako katalyzátor. V pítomnosti CO vzniká modré zabarvení.

Lehké uhlovodíky (C1 až C4) Nízkomolekulární nasycené uhlovodíky nemají toxické úinky a jsou v ovzduší po

dlouhou dobu stálé. Nenasycené jsou reaktivnjší a mají lehce narkotické úinky. Uhlovodíky ve spalinách je možno stanovit I spektrometrií nebo plynovou

chromatografií s plamenovým ionizaním detektorem.

Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU) Patí mezi prokázané chemické karcinogeny. Do životního prostedí se dostávají pi

spalování fosilních paliv a pi zahívání a pyrolýze jakékoliv organické látky. Jsou to látky pomrn stabilní. Tyto látky lze stanovit elektronovou spektrometrií (mení fluorescence a fosforescence), chromatografií na tenké vrstv, plynovou chromatografií, vysoceúinnou kapalinovou chromatografií.

Prachové ástice Stanovují se gravimetricky. Pi tomto mení se ástice shromažují na filtru ze

skelných mikrovláken, pes který se po dobu 24 hodin prosává známé množství vzduchu, bžn 2000 m3. Filtr se zváží ped a po expozici a výsledky se udávají v µg.m-3.

Sloueniny fluoru Stanovení vychází ze skutenosti, že ást fluoru je vázána na prachových ásticích a ást

je pítomna v plynné form. Fluorovodík se zachycuje na papírových filtrech napuštných NaHCO3 a glycerinem. Výluhy z filtr se potom analyzují na obsah fluoridových iont, bu fluoridovou ISE, nebo iontomniovou chromatografií.

95

Analýza pd V pdních vzorcích se zjišuje:

a) pdní reakce, obsah uhliitanu a poteba vápnní, b) obsah pístupného fosforu, draslíku, hoíku a vápníku, c) kationtová výmnná kapacita.

V pdních vzorcích z pozemku chmelnic, vinic, intenzivních sadu a zelináských ploch se dále zjišuje obsah mdi, zinku, manganu, železa, boru a molybdenu jako stopových živin výbrov podle pstovaných kultur.

V pdních vzorcích z pozemku s rizikem vstupu nežádoucích látek do potravního etzce sleduje ústav následující rizikové prvky a rizikové látky:

1. Rizikové prvky - As, Be, Cd, Co, Cr, Cu, F, Hg, Mo, Ni, Pb, V, Zn, Tl. 2. Rizikové látky - Polycyklické aromatické uhlovodíky–stanoveny jako souet 16

individuálních uhlovodík (naftalen, acenaftylen, acenaften, fluoren, fenantren, antracen, fluoranten, pyren, benzo(a)antracen, chrysen, benzo(b)fluoranten, benzo(k)fluoranten, benzo(a)pyren, dibenzo(ah)antracen, benzo(ghi)perylen, ideno(1,2,3-cd)pyren), chlorované uhlovodíky, polychlorované bifenyly (PCB), extrahovatelný organicky vázaný chlor (EOCl), adsorbovatelný organicky vázaný chlor (AOCl), persistentní organochlorové pesticidy, polychlorované dibenzodioxiny (PCDD) a dibenzofurany (PCDF).

Agrochemické zkoušení zemdlských pd a sledovaní rizikových prvk

a rizikových látek zahrnuje: a) zjišování výsledku chemických rozbor jednotlivých zkoušených pozemk, vetn prmrných hodnot tchto výsledk, b) agronomické zhodnocení stavu jednotlivých zkoušených pozemk, c) zhodnocení vývoje agrochemických vlastností zkoušených zemdlských pd prbžn a za období 6 let, d) zjišovaní aktuálního stavu kontaminace zemdlských pd, vetn vedení seznamu kontaminovaných pozemk, e) zjišování a hodnocení prbžných výsledk monitoringu zemdlských pd se zamením na ochranu potravního etzce ped vstupy nežádoucích látek. V pípadech stanovených zákonem o hnojivech agrochemické zkoušení zemdlských pd zahrnuje rovnž mikrobiologické a fyzikální rozbory.

Principy chemických rozbor zemdlských pd

Základní pdní parametry Stanovení pH

Mezi vyluhovacím roztokem a pdou se ustavuje rovnováha mezi ionty vodíku v roztoku a ionty vodíku vázanými v sorpním komplexu pdy. Aktivita iont vodíku se mí v pdní suspenzi sklennou iontov selektivní elektrodou.

Stanovení obsahu uhliitan

Uhliitany v pd se rozkládají kyselinou chlorovodíkovou. Objem uvolnného oxidu uhliitého je úmrný obsahu uhliitan ve vzorku.

96

Stanovení podílu vodíku (H+ ) v sorpním komplexu pdy pH tlumivého roztoku pidaného do pdní suspenze se zmní vlivem uvolnných

hydroxoniových iont. Závislost je v bžném rozsahu pdních vzork lineární a zmna pH suspenze po pidání tlumivého roztoku se vyjádí jako množství uvolnných hydroxoniových iont ze sorpního komplexu pdy. Stanovení obsahu pijatelných živin podle Mehlicha III

Pda se extrahuje kyselým roztokem, který obsahuje fluorid amonný pro zvýšení rozpustnosti rzných forem fosforu vázaných na železo a hliník. V roztoku je pítomen i dusinan amonný ovlivující desorpci draslíku, hoíku a vápníku. Kyselá reakce vyluhovacího roztoku je nastavena kyselinou octovou a kyselinou dusinou. Vyluhovací roztok dobe modeluje pístupnost živin v pd pro rostliny. Koncentrace hoíku a vápníku v extraktu se stanoví metodou atomové absorpní spektrofotometrie po odstranní rušivých vliv pídavkem lanthanu. Koncentrace draslíku se stanoví metodou plamenové fotometrie a koncentrace fosforu se stanoví spektrofotometricky po reakci s molybdenanem v kyselém prostedí jako molybdenová mod. Stanovit hoík, draslík a vápník lze i metodou optické emisní spektrometrie v indukn vázaném plazmatu. Ve všech pípadech se využívá metoda kalibraní kivky.

Stanovení stopových živin Stanovení mdi, zinku, manganu a železa v extraktu podle Lindsaye a Norvella

Pda se extrahuje roztokem: 0,1 mol.1-1 triethanolaminu, 0,01 mol.1-1 chloridu vápenatého a 0,005 mol.1-1 DTPA (kyselina dietylentriaminopentaoctová), pH upraveno na hodnotu 7,3. Extrakce probíhá za pesn definovaných podmínek pi pomru pda : extrakní roztok 1: 2 (w/v). Stanovení jednotlivých prvk se provádí metodou atomové absorpní spektrofotometrie, pípadn metodou optické emisní spektrometrie v indukn vázaném plazmatu metodou kalibraní kivky.

Stanovení boru

Vzorek pdy se extrahuje definovaným zpsobem vodou za varu. V extraktu se stanoví bor spektrofotometricky metodou kalibraní kivky po reakci s azomethinem-H, kdy vzniká oranžovožlutý komplex pi pH 4–5. Zbarvené organické látky se odstraní oxidací manganistanem. Vliv rušících iont je odstrann pídavkem kyseliny askorbové. Bor je možné stanovit i metodou optické emisní spektrometrie v indukn vázaném plazmatu metodou kalibraní kivky.

Stanovení molybdenu

V pdním extraktu se molybden stanoví atomovou absorpní spektrofotometrií s elektrotermickou atomizací po extrakci komplexu molybdenu s 8-hydroxychinolinem do chloroformu pi pH 1,6–5,6. Pi extrakci dochází souasn k odstranní nejzávažnjších rušivých prvk a k zakoncentrování molybdenu. Koncentrace molybdenu se stanoví metodou kalibraní kivky.

Stanovení cizorodých látek Stanovení rizikových prvk

Upravený vzorek pdy se extrahuje smsí kyseliny chlorovodíkové a kyseliny dusiné (3+1, v+v) za varu. Obsahy jednotlivých prvk v extraktu se stanoví nejvhodnji metodou optické emisní spektrometrie v indukn vázaném plazmatu, pípadn metodou hmotnostní

97

spektrometrie v indukn vázaném plazmatu. Lze využít i atomovou absorpní spektrofotometrií s atomizací v plameni nebo elektrotermickou, pípadn hydridovou metodu.

Stanovení polycyklických aromatických uhlovodík (PAH)

Pda se extrahuje vhodným organickým rozpouštdlem (aceton, toluen, sms hexan+aceton). Obsah jednotlivých PAH v extraktu se stanoví metodou vysokoúinné kapalinové chromatografie s fluorescenním detektorem nebo plynovou chromatografií s hmotnostním detektorem.

Stanovení obsahu extrahovatelného organicky vázaného chloru (EOCl)

V extraktu se stanoví obsah EOCl po rozkladu pi vysoké teplot mikrocoulometrickou titrací.

Stanovení obsahu adsorbovatelného organicky vázaného chloru (AOCl)

Sloueniny s organicky vázaným chlorem se adsorbují na aktivní uhlí. Po termickém rozkladu se jejich obsah stanoví mikrocoulometrickou titrací.

Stanovení chlorovaných uhlovodík, polychlorovaných bifenyl (PCB), persistentních organochlorovaných pesticid, polychlorovaných dibenzodioxin (PCDD) a dibenzofuran (PCDF)

Pda se extrahuje vhodným organickým rozpouštdlem (hexan+aceton). Extrakt se po peištní na sloupci modifikovaného silikagelu analyzuje metodou plynové chromatografie hmotnostním detektorem.

Stanovení oxidovatelného uhlíku Oxidovatelný organicky vázaný uhlík v zemin se oxiduje kyselinou chromovou

v prostedí nadbytku kyseliny sírové za definovaných podmínek. Výsledky vyjádené v % Cox je možno pepoítat na % humusu za pedpokladu, že huminové kyseliny obsahují 58 % C.

Stanovení celkového dusíku Pdní vzorek se mineralizuje za mokra koncentrovanou kyselinou sírovou za

pítomnosti katalyzátoru (Kjeldahlova metoda), pi níž se organické sloueniny N oxidují na NH4

+, který se po destilaci stanoví neutralizaní titrací nespotebovaného nadbytku kyseliny odmrným roztokem zásady.

Stanovení potenciální kationtové výmnné kapacity Sorpní komplex pdy se nasytí ionty barya opakovanou extrakcí roztokem chloridu

barnatého upraveného na hodnotu pH 8,1. V eluátu se acidimetrickou titrací stanoví výmnný vodík. Ve druhém kroku se sorbované baryum ze vzorku vytsní roztokem chloridu hoenatého. Ve druhém eluátu se stanoví baryum, jehož koncentrace je pímo úmrná potenciální kationtové výmnné kapacit.

98

Analýza odpad

Vyhláška . 383/2001 Sb. Ministerstva životního prostedí o podrobnostech nakládání s odpady

Z hlediska analytické chemie jsou dležité následující pílohy této vyhlášky: Píloha . 4 k vyhlášce . 383/2001 Sb. Hodnocení vyluhovatelnosti odpad Píloha . 5 k vyhlášce . 383/2001 Sb. Analytické metody pro rozbory vodných

výluh odpad Píloha . 6 k vyhlášce . 383/2001 Sb. Tídy vyluhovatelnosti

Hodnocení vyluhovatelnosti odpad

Využití vyluhovatelnosti odpad je doporueno zejména pi:

− laboratorních postupech pípravy vodného výluhu odpad − stanovení tíd vyluhovatelnosti k posuzování odpad z hlediska naplnní kritérií

stanovených pro jejich odstraování uložením na skládky odpad nebo pro jejich využívání do rekultivaní vrstvy skládek nebo umístním do podzemních prostor a na povrch terénu v souladu s požadavky vyhlášky . 383/2001 Sb.

− hodnocení nebezpených vlastností odpad H13 a H14 v souladu s požadavky vyhlášky . 376/2001 Sb.

− posuzování správnosti postup pro získání vodného výluhu odpadu a stanovení tídy vyluhovatelnosti nebo hodnocení nebezpených vlastností odpad H13 a H14, vetn obsahu píslušné dokumentace

− pi odbrech vzork odpad

Píprava a analýza vodného výluhu Vzorek pevného odpadu (analytický vzorek o zrnitosti menší než 4 mm) je za

definovaných podmínek vyluhován vodou. Postup je založen na pedpokladu, že se v prbhu zkoušky dosáhne úplné nebo pibližné rovnováhy mezi ve vod rozpuštnou a pevnou fází jednotlivých složek obsažených v odpadu. Pevná fáze (nerozpuštné složky) je následn odstranna filtrací. S filtrátem se dále zachází jako se vzorkem vody a sledované ukazatele se stanovují metodami uvedenými v píloze . 5 vyhlášky . 383/2001 Sb. Vlastní píprav výluhu pedchází stanovení podílu sušiny v samostatném analytickém vzorku. Výluh se pipravuje z analytického vzorku odpadu. Do píslušné vzorkovnice se naváží takové množství analytického vzorku, aby po doplnní vody byl ve vzorkovnici pomr vody a pevné fáze odpadu (v pepotu na vysušený vzorek) L/S 10/1. Kvalita kapalné fáze obsažené v odpadu se nezjišuje a má se za to, že odpovídá vod. Vzorkovnice se po naplnní vzorkem a vodou uzave a umístí do tepaky. Tepe se 24 hodin.

Analýzou vodného výluhu se získají hmotnostní koncentrace ve výluhu obsažených rozpuštných složek. Výsledky analýzy zamené na zjištní hodnot jednotlivých stanovených ukazatel se uvádjí na tolik platných míst, aby pouze poslední místo bylo zatíženo nejistotou, a v jednotkách, které jsou uvedeny u jejich limitních hodnot v tabulkách jednotlivých tíd vyluhovatelnosti. Stejné zásady platí pi uvádní hodnot ze zkoušek výluhu pro hodnocení

99

nebezpené vlastnosti H13. Výsledky stanovení chemických ukazatel se vyjadují v [mg.l-1], stanovení konduktivity v [mS.m-1], výsledky ekotoxikologických test v [ml.l-1].

Píloha . 6 k vyhlášce . 383/2001 Sb. Tídy vyluhovatelnosti Ukazatel Jednotka Lim. hodnota

pro I. tídu Lim. hodnota pro II. tídu

Lim. hodnota pro III. tídu

pH 5,5 – 11 5,5 – 12 5,5 – 13 Konduktivita mS/m 250 600 2000 Ekotoxicita ml/l negativní 100 DOC (rozpuštný organický uhlík)

mg/l 10,0 30,0

Fenolový index mg/l 0,1 1,0 100 Amonné ionty mg/l 3,0 5,0 Chloridy mg/l 500 Dusinany mg/l 100 Dusitany mg/l 1,0 1,0 Fluoridy mg/l 3,0 5,0 Kyanidy celkové mg/l 0,1 0,5 20,0 Kyanidy snadno uvolnitelné

mg/l 0,02 0,1 10,0

Sírany mg/l 500 Ag mg/l 0,1 0,1 Al mg/l 2,0 10,0 As mg/l 0,05 0,1 5,0 B mg/l 1,0 3,0 Ba mg/l 1,0 10,0 Be mg/l 0,005 Cd mg/l 0,005 0,05 0,5 Co mg/l 0,1 0,5 Cr celkový mg/l 0,1 1,0 50,0 Cu mg/l 0,5 1,0 Fe mg/l 5,0 Hg mg/l 0,002 0,005 0,05 Mn mg/l 1,0 10,0 Ni mg/l 0,1 0,5 50,0 Pb mg/l 0,1 0,5 10,0 Sb mg/l 0,05 0,1 Se mg/l 0,05 0,1 5,0 V mg/l 0,2 0,2 Zn mg/l 5,0 5,0

100

Zpsoby mení neznámých vzork Úkolem kvantitativní analytická chemie je stanovovat obsahy i koncentrace, nkdy

pípadn množství nebo hmotnosti vybraných látek ve vzorcích materiál, tj. stanovovat uritou kvantitativní veliinu. Pi daném stanovení provádíme se vzorkem specifické operace a míme potebné fyzikální veliiny (jak jste mli možnost poznat nap. pi studiu jednotlivých analytických metod v této uebnici) a z namených hodnot vypoteme žádaný kvantitativní údaj. Musíme tedy umt vyjádit matematický vztah mezi menými veliinami a stanovovanou kvantitativní veliinou - analytickou funkci. Podle povahy tohoto vztahu lze analytické metody rozdlit na metody absolutní a relativní.

Absolutní metody V pípad, že k vyjádení vztahu mezi menými veliinami a hledanou kvantitativní

veliinou nám staí pouze základní fyzikální konstanty a obecn platné veliiny, které jsou zejmé z teorie i je mžeme najít v tabulkách (byly pesn zmeny pedchozími generacemi vdc), nic nám principieln nebrání v tom, abychom vypoítali stanovovanou kvantitativní veliinu z výsledk mení provedeném pouze na stanovovaném vzorku. Takové metody nazýváme metody absolutní. Patí k nim nap. gravimetrie, kdy z hmotnosti navážky vzorku a hmotnosti izolované stechiometricky definované sloueniny za užití stechiometrie a relativních atomových i relativních molekulových hmotností vypoteme nap. obsah stanovované látky ve vzorku. Obdobn pi titraních stanoveních z navážek vzorku a základní látky a ze zmených objem roztok odmrných inidel lze vypoítat žádaný kvantitativní údaj, piemž potebujeme opt pouze znalost stechiometrie reakcí, na nichž je stanovení založeno a relativní atomové a molekulové hmotnosti. Patí sem také coulometrie, kdy hmotnost stanovované látky, mžeme vypoítat na základ Faradayova zákona z nameného elektrického náboje potebného k reakci látky na elektrod, všechny další potebné hodnoty veliin a konstant vystupujících v tomto zákon jsou zejmé ze stechiometrie i je lze najít v tabulkách.

Relativní (srovnávací) metody V pípad tchto metod k vyjádení vztahu mezi sledovanou kvantitativní veliinou

a veliinou menou, vztah se nazývá analytická funkce, nevystaíme pouze s teorií a s tabelovanými konstantami a veliinami. Neznamená to však, že by se analytická funkce v tomto pípad neopírala o známé fyzikáln chemické zákonitosti a nebylo ji možno jednoznan a objektivn vyjádit. Pouze je tento vztah více i mén závislý na podmínkách provádného mení nebo pístroje a k jeho vyjádení pak nestaí jen obecn platné konstanty a obecn známé hodnoty veliin. V takovém pípad je nutnou souástí mení i urení analytické funkce. Vztah mezi hledanou kvantitativní veliinou, nap. koncentrací - c, a veliinou menou na analytickém pístroji, tj. signálem pístroje – S, tedy analytickou funkci

)(cfS = uríme ze zmených signál roztok, u nichž známe koncentraci stanovované látky, pak hovoíme o metod kalibraní kivky, nebo ze zmených signál roztok, u nichž známe pírstky koncentrací po pídavcích sledované látky ke stanovovanému vzorku, pak se jedná o metodu standardních pídavk. Z výsledk tchto mení tedy uríme potebné konstanty do matematické rovnice vyjadující analytickou funkci; tvar této rovnice (zda to bude nap. rovnice pímky, paraboly nebo exponenciály) je znám z teorie. Meným signálem rozumíme nap. absorbanci pi atomové absorpní spektrometrii, nebo pi absorpní spektrofotometrii,

101

intenzitu záení pi emisní spektrometrii nebo elektrický proud pi polarografii nebo index lomu u refraktometrie atd. (viz jednotlivé metody).

Metoda kalibraní kivky Pipravíme tzv. standardní roztoky, tj. roztoky se známými rostoucími koncentracemi

stanovované látky. Píslušnou micí metodou promíme signály odpovídající tmto roztokm a tak dostaneme dvojice hodnot signál – koncentrace. Namené hodnoty vyneseme do grafu, kdy na svislou osu (y) vynášíme hodnoty signálu S a na osu vodorovnou (x) vynášíme koncentrace c, tj. vynášíme závislost signálu na koncentraci. Takto nakreslené body charakterizující hledanou závislost. V dsledku chyb pi mení však tyto namené body neleží pesn na kivce hledané závislosti. Kalibraní závislost pak odhadneme proložením plynulé kivky mezi namenými body. Nikdy neprokládáme kalibraní závislost tak, že bychom spojovali sousední body pímkami. Pro adu analytických metod vyplývá z teorie, že hledaná závislost je pímka.Vhodnjší zpsob proložení takové kalibraní pímky nebo kivky než pouhé runí grafické zakreslení je prokládání na základ statistického výpotu – regresí. Pi prokládání kalibraní pímky, tj. rovnice tvaru cbaS ⋅+= hledáme konstantu a, což je úsek vytený pímkou na ose y, a konstantu b, což je smrnice pímky.

Z lekcí statistiky si pipomeneme, že za použití programu Microsoft Excel lze úsek na ose y vypoítat pomocí funkce „intercept“ a smrnici funkcí „slope“. Lze použít i funkci „linregrese“, kterou mžeme vypoítat nejen konstanty pímky, ale i konstanty pro vyšší polynom, pokud prokládáme kivku. Tetí možný zpsob regresního zpracování v uvedeném programu je vytvoení grafu za použití „prvodce grafem“, kdy vybereme XY graf, podtyp bodový a po zakreslení samotných bod do grafu proložíme pímku, pípadn kivku „pidáním spojnice trendu“; lze volit i souasné zobrazení rovnice kalibraní závislosti. Ped vynášením signál do grafu neodeítáme pedem signál standardu s nulovou koncentrací od signál ostatních standard (což bývá nkdy požadováno ve starších uebnicích), protože tímto úkonem stejn nedostaneme nulový úsek na ose signál, tedy nap. pímku procházející poátkem, a navíc pi prokládání kivky tím mníme zakivení kalibraní závislosti. (Volba výpotu pímky procházející pímo poátkem není doporuována, a to i když teoretický kalibraní vztah je práv pímka bez úseku na ose y - viz texty statistiky.)

Cx

S

c

S x

0

Obr. Kalibraní kivka

102

Na pedcházejícím obrázku je znázornno proložení pímky body namenými na

kalibraních standardech. Po nalezení kalibraní závislosti vyneseme signál pro vzorek Sx do grafu a na vodorovné ose odeteme odpovídající koncentraci stanovované látky cx v roztoku vzorku (viz obr. Kalibraní kivka). V pípad vyjádení kalibraní závislosti pouze ve form matematické rovnice, dosadíme do rovnice signál nalezený pro roztok vzorku a vypoteme neznámou c – koncentraci mené látky.

Metoda standardního pídavku Metoda standardního pídavku se používá, pokud mezi signálem a koncentrací platí

pímá úmra - kalibraní závislost je dle teorie pímka procházející poátkem (mezi signálem a koncentrací je lineární závislost a roztok, v nmž je nulová koncentrace stanovované látky, dává nulový signál). Do dvou odmrných bank stejného objemu pipravíme roztoky tak, že do obou dáme stejné známé dávky vzorku a do jedné z nich pidáme známé množství látky, kterou chceme ve vzorku stanovovat, a baky doplníme po znaku (viz následující obrázek).

Obr. Píprava vzork pi metod standardního pídavku Neznámou, urovanou koncentraci sledované látky v roztoku vzorku ozname cx.

Koncentrace sledované látky v roztoku vzorku s pídavkem bude vtší o známý pírstek cs zpsobený pídavkem; celková koncentrace v roztoku s pídavkem je tedy rovna cx + cs.

Promíme signály obou roztok; namené signály ozname Sx pro roztok vzorku a S jako celkový signál pro roztok s pídavkem. Na základ výše uvedených pedpoklad jsou tyto signály úmrné píslušným koncentracím stanovované látky v roztocích.

xx ckS ⋅= ( )sx cckS +⋅=

Spolenou konstantu úmrnosti - k, uríme tak, že odeteme horní rovnici od spodní - levou stranu od levé a pravou stranu od pravé, dostáváme

sx ckSS ⋅=− tj. pírstek signálu S proti Sx je úmrný pouze pírstku koncentrace zpsobené pídavkem. Z této rovnice vyjádíme konstantu k

kc

SS

s

x =−

a konstantu dosadíme do rovnice pro Sx

103

xs

xx c

cSS

S−

=

Z ní pak vyjádíme neznámou koncentraci cx

sx

xx c

SSS

c−

=

- c x

S

c s

S x

0

Obr. Grafické vyhodnocení metody standardního pídavku

Výsledek je možné získat i grafickým ešením (viz obr. výše). Do grafu zakreslíme namené hodnoty: na vodorovnou osu vyneseme koncentrace pídavk do roztok a proti nim na svislou osu vyneseme namené hodnoty signál, tj. signál Sx pro roztok vzorku bez pídavku vyneseme pímo na osu y (nulová koncentrace pídavku) a pro roztok s pídavkem vyneseme S proti cs. Zakreslenými body proložíme pímku, kterou protáhneme tak, aby protínala vodorovnou osu v záporné oblasti. Absolutní hodnota koncentraní souadnice nalezeného prseíku (na obr. oznaeno -cx) je hledaná koncentrace mené látky v roztoku vzorku.

Pesnjší postupy pracují s nkolika rzn velkými pídavky ke vzorku – metoda standardních pídavk. Pipravíme tedy roztok vzorku s neznámou koncentrací stanovované látky, cx, a roztoky vzorku s pídavky, jejichž koncentrace jsou vyšší o známé pírstky pocházející z pídavk; pírstky oznaíme c1, c2, c3 a pípadn další. Bývá doporuováno pracovat až s šesti pídavky; obvykle se pracuje jen se temi pídavky, piemž pírstek koncentrace pro jeden z pídavk by pak ml být pibližn stejn velký jako je stanovovaná koncentrace cx, jeden poloviní a poslední dvojnásobný. Zmíme signály všech roztok; namené signály ozname Sx pro roztok vzorku a S1, S2, S3, ... pro roztoky s pídavky. Pokud je závislost mezi signálem a koncentrací vyjádena jako pímka procházející poátkem, musí pro signály platit následující rovnice:

xckSx ⋅= ( )11 cckS x +⋅= ( )22 cckS x +⋅=

104

atd.

Do grafu vyneseme na osu y signály Sx, S1, S2, atd. a proti nim a na osu x pírstky koncentrací, tj. 0, c1, c2 , atd. (signál Sx tedy vynášíme pímo na osu y). Zakreslenými body proložíme pímku run nebo regresí (v grafech vytváených programem Microsoft Excel, viz pedchozí výklad, použijeme „pidání spojnice trendu“, v „možnostech“ si oznate „odhad“, „nazpt“ a dostatený poet jednotek, tak aby zakreslená pímka protla osu x v záporné ásti). Absolutní hodnota x-ové souadnice prseíku nalezené pímky a osy x je hledaná koncentrace mené látky v roztoku vzorku. Problém je možné ešit také pouze statistickým výpotem. Ze všech koncentrací pírstk (0, c1, c2 , atd) a namený signál (Sx, S1, S2, atd.) uríme regresí (viz pedchozí výklad) rovnici pímky pro závislost signálu S na pídavku c

ckSS v ⋅+= kde Sv je úsek na ose y, který pedstavuje signál odpovídající koncentraci cx ovšem získaný vyrovnáním ze všech mení - ml by být pibližn stejný jako Sx, ale je uren pesnji, smrnice je hledaná konstanta úmrnosti k pro rovnici úmrnosti signál-koncentrace

ckS ⋅= Koncentraci mené látky v roztoku vzorku tedy vypoteme z rovnice

kSc v

x =

Metoda standardního pídavku se používá asto tehdy, když závislost mezi signálem a koncentrací stanovované látky je jiná pro isté roztoky standard a jiná pro roztok vzorku, protože v nm jsou pítomny další látky, které ovlivují prbh závislosti – u pímkové závislosti se v tomto dsledku mní smrnice b. Touto metodou zjistíme závislost, která platí práv pro sledovaný roztok vzorku.

Vyhodnocení analytických mení

Správnost a pesnost mení

Obr. Správnost a pesnost mení

Uvádní výsledk mení Obsah složky v analyzovaném systému lze vyjadovat rznými zpsoby, které je teba

volit podle toho, k jakému úelu údaj o obsahu slouží, podle skupenství analyzovaného vzorku i podílu urované složky apod.

105

V analytické chemii se nejastji pracuje s kapalnými vzorky. Složení roztok se udává v jejich koncentraci (látkové cA nebo hmotnostní A), která vyjaduje obsah látky v uritém objemu roztoku, nebo hmotnostním zlomkem, jenž vyjaduje podíl hmotnosti rozpuštné látky z celkové hmotnosti roztoku. Nejpoužívanjší jednotkou v rutinní analýze kapalných vzork je mg.l-1 (g.l-1).

Hmotnostním zlomkem složky v procentech se vyjadují také výsledky analýzy tuhých látek ve vzorku. Tento údaj se nazývá procentový obsah. Velmi malé obsahy látek ve vzorku mžeme udávat v ppm (per partes milion) nebo ppb (per partes bilion). Používání tchto jednotek se nedoporuuje, ale je možné se s nimi setkat. Obsah složky v ppm znamená též její hmotnost v mg na 1 kg vzorku, pop. v µg na 1 g vzorku.

Nejistota mení a podstata jejího vyhodnocení Nejistota mení je definována jako parametr pidružený k výsledku mení, který

charakterizuje míru rozptýlení hodnot, jež by mohly být dvodn pisuzovány mené veliin. Jedná se vlastn o odhad charakterizující rozmezí hodnot, v nmž leží skutená (pravdivá - true) hodnota mené veliiny. Nejistota mení mže být kvantifikována jako smrodatná odchylka, která je užívána jako míra rozptýlení a nebo jako interval, v nmž leží skutená hodnota mení s vysokou pravdpodobností, jejíž procento si mžeme pedem pibližn zvolit. Nejistota vymezuje hranice, v nichž je výsledek považován za správný tj. pesný a pravdivý.

Nejistota vyjádená jako intervalový odhad, se principieln kryje s definicí intervalu spolehlivosti (viz výše), rozdíl je vtom, že klasický interval spolehlivosti je urován z rozptylu hodnot získaných opakovaným mením výsledk práv na daném vzorku a pímo v souvislosti s daným vzorkem. Takto získané intervaly jsou velmi asto podhodnocené, píliš úzké, takže dva intervalové odhady výsledku mení stejného vzorku získané v rzných laboratoích nebo s delším asovým odstupem ve stejné laboratoi se jeví jako významn odlišné. Píinou je, že pi odhadu intervalu pravdpodobných výsledk pro daný vzorek je teba vzít v úvahu nejen ty zdroje rozptýlení, které se v rámci daného mení aktuáln projevily, ale i ty, které zstaly skryty, protože zpsobovaly jen soustavný posun Pi tom ada faktor v laboratoi

Pi urování nebo odhadování nejistoty konkrétního postupu a analytu je teba zajistit, aby odhad bral explicitn v úvahu všechny možné zdroje nejistoty a vyhodnotil významné složky.

Skutená hodnota tohoto vychýlení neboli strannosti, anglicky bias, δ, je nepoznatelná, lze pouze urit odhad vychýlení – experimentální vychýlení, b. Nejistoty mení jsou spojeny práv s efekty, které zpsobují, že se pi mení vyskytují náhodné a systematické chyby. (Pojem chyba mžeme používat vedle pojmu nejistota, ale je teba oba pojmy vzájemn rozlišovat. Chyba pedstavuje konkrétní rozdíl, nepoznatelný, namené hodnoty a skutené, mené, hodnoty; nejistota charakterizuje možné rozptýlení hodnot.) Je teba si uvdomit, že pojmy náhodná a systematická chyba jsou relativní. Uritá složka celkové chyby se za jistých podmínek mení mže chovat jako náhodná, ale za jiných jako systematická (chyba objemu odmrné baky se projevuje jako systematická, pokud opakovan pipetujeme daný objem roztoku vzorku stále ze stejné baky, ale jako náhodná, pokud pipetujeme s rzných bank) nebo mže být nahlížena z rzných pohled jako náhodná i systematická (chyba kalibrace je pi mení dle jedné kalibraní kivky chyba systematická a z dlouhodobého hlediska, kdy míme v rzných dnech podle kalibraních kivek rzn namených, se jeví jako náhodná).

106

Píinou toho, že výsledek mení lze stanovit jen s uritou nejistotou, tj.nelze jej stanovit jako jedinou exaktní hodnotu, jsou efekty, které ovlivují mení a zpsobují, že opakovan mené výsledky mení jsou rozptýleny i posunuty, tj. jsou zatíženy chybami. Chyba mení, ε, patí opt k pojmm idealizovaným, protože je to veliina nepoznatelná, obdobn jako skutená hodnota, µ, jejíž pomocí je chyba definována jako rozdíl mezi skutenou hodnotou a namenou hodnotou x

µε −= x Chyby mení rozdlujeme na chyby náhodné a soustavné, neboli také systematické

(výsledky zatížené hrubými chybami musí být vyloueny). Chyby náhodné zpsobují, že výsledky mené opakovan na stejném vzorku jsou rozptýleny podle uritého pravdpodobnostního rozdlení. Pi vyhodnocování uvažujeme toto rozdlení vtšinou jako normální (nebo alespo symetrické – bez šikmosti), pepokládáme pro n nulovou stední hodnotou (tj. že se v prmru chyby vyrovnávají) a odhadujeme jeho smrodatnou – standardní odchylku, a to vtšinou z výsledk opakovaných mení. Systematické chyby posouvají výsledky mení o konstantní, kladnou nebo zápornou hodnotu (v širším smyslu slova mají pedvídatelné hodnoty). Skutená hodnota tohoto vychýlení neboli strannosti, anglicky bias, δ, je nepoznatelná, lze pouze urit odhad vychýlení – experimentální vychýlení, b. Nejistoty mení jsou spojeny práv s efekty, které zpsobují, že se pi mení vyskytují náhodné a systematické chyby. (Pojem chyba mžeme používat vedle pojmu nejistota, ale je teba oba pojmy vzájemn rozlišovat. Chyba pedstavuje konkrétní rozdíl, nepoznatelný, namené hodnoty a skutené, mené, hodnoty; nejistota charakterizuje možné rozptýlení hodnot.) Je teba si uvdomit, že pojmy náhodná a systematická chyba jsou relativní. Uritá složka celkové chyby se za jistých podmínek mení mže chovat jako náhodná, ale za jiných jako systematická (chyba objemu odmrné baky se projevuje jako systematická, pokud opakovan pipetujeme daný objem roztoku vzorku stále ze stejné baky, ale jako náhodná, pokud pipetujeme s rzných bank) nebo mže být nahlížena z rzných pohled jako náhodná i systematická (chyba kalibrace je pi mení dle jedné kalibraní kivky chyba systematická a z dlouhodobého hlediska, kdy míme v rzných dnech podle kalibraních kivek rzn namených, se jeví jako náhodná). Poznámka. Nejistoty není vhodné oznaovat podle toho jakými efekty jsou vyvolávány, tj. jako nejistoty náhodné a systematické, nebo je to oznaení relativní, jak bylo uvedeno výše. Rovnž nelze hovoit absolutn o tzv. nejistotách typu A a nejistotách typu B. Správn se takto rozlišují zpsoby vyhodnocení nejistot, a to vyhodnocení typu A nebo typu B, piemž danou složku nejistoty lze vždy, alespo principieln, vyhodnotit obojím zpsobem, tj. jak statisticky z výsledk opakovaných mení – typ A, tak i jiným zpsobem, za použití jiných dostupných informací – typ B. Stejn tak nelze spojovat vyhodnocení typu A nezbytn pouze s nejistotami pocházejícími z náhodných efekt a naopak vyhodnocení typu B pouze s nejistotami pocházejícími ze systematických efekt. Pi kvantifikování nejistoty mení je teba nejprve identifikovat zdroje nejistot pro dané mení a vytvoit jejich seznam (je nutno zdraznit, že pesný postup kvantifikace nejistot je teba hledat). Dále je pak teba pro tyto zdroje, bu pímo pro jednotlivé zdroje nebo pro jejich zkombinované skupiny, vyhodnotit jejich vlastní píspvky k nejistot celého mení. Tyto složky nejistot nazýváme standardní nejistoty, ui, a vyhodnocujeme je jako smrodatné odchylky rozdlení píslušných „chybových složek“. (U tchto rozdlení jsou pedpokládány, jak výše uvedeno, nulové stední hodnoty. Pokud by skutenost tomuto pedpokladu odporovala, je teba rozdlit uvažovanou chybovou složku na dv ásti – náhodnou, tj. rozptylující s nulovou stední hodnotou, a systematickou, tj. tu, která zpsobuje vychýlení od nuly.) Pi tomto vyhodnocování standardních nejistot využíváme té výše uvedené skutenosti, že systematickou chybu lze považovat z vyššího stanoviska za jeden pípad z možných

107

náhodných chyb (chyb rozptylujících výsledky, které se v prmru vyrovnávají) a pro rozdlení tchto chyb urit smrodatnou odchylku, tj. píslušnou standardní nejistotu. Takto postupn vyhodnotíme nejistotní složky pro vtšinu zdroj nejistot z vypracovaného seznamu. Pokud zdroje nejistot vyhodnocujeme z hlediska jediné laboratoe, zstanou však vždy alespo dva faktory, které vyvolávají stejné vychýlení všech výsledk v laboratoi a pro které nelze za užití dat pouze z této laboratoe získat smrodatnou odchylku rozdlení, kterému bychom mohli pisoudit nulovou stední hodnotu. Jsou to vychýlení dané analytické metody a vychýlení zpsobené samotnou laboratoí pi použití této metody. V soutu považujeme tato vychýlení pro laborato za vychýlení jediné a to stanovíme vhodn provedenou studií jako celkové vychýlení (celkovou systematickou chybu). asto urujeme celkové vychýlení mením vhodného certifikovaného referenního materiálu. (Existují i jiné zpsoby, nap. stanovením výtžnosti mením známého pídavku analytu ke vzorku, nebo porovnáním výsledk získaných sledovanou micí metodou a metodou referenní.) Pro tento materiál je známa jeho certifikovaná hodnota, xCRM, ale pouze s deklarovanou nejistotou, uCRM (zde vyjádenou jako standardní nejistota). Mením stanovíme pro tento referenní materiál náš výsledek, xEXP, (obvykle jako prmr) se smrodatnou odchylkou výsledku mení, sEXP, (smrodatná odchylka prmru). Z uvedených dat vypoteme celkové vychýlení b (odhad skutené systematické chyby δ)

CRMEXP xxb −= a kombinovanou nejistotu, s níž bylo vychýlení metody stanoveno - nejistota vychýlení, ub,

22EXPCRMb suu +=

Zjištným vychýlením mžeme korigovat všechny výsledky namené danou metodou v naší laboratoi. Dokument EURACHEM Guide však pedepisuje korekci výsledk, jen pokud je vychýlení statisticky významné, což lze zjistit t-testem

bubt /= Je-li vypotená hodnota t vtší než kritická hodnota studentova t-rozdlení pro zvolenou hladinu významnosti (obvykle 0,05) a pro daný poet stup volnosti, je hodnota b statisticky významná (signifikantní). Protože poet stup volnosti by bylo teba urit jako efektivní pro dané ub, asto se uvažuje, že je dostaten vysoký a jako kritická se pak bere hodnota 2. Je-li vychýlení nevýznamné (ztrácí-li se v nejistot vlastního stanovení), korekce na systematickou chybu se neprovádí. (Korekci je také možné vynechat i v pípad významného vychýlení, pokud je toto vychýlení zanedbatelné vzhledem k celkové nejistot metody - ta bude zmínna dále.)

Nyní máme k dispozici hodnoty standardních nejistot pro všechny uvažované zdroje nejistot a mžeme z nich urit celkovou nejistotu mení jako kombinovanou standardní nejistotu, uc. Výpoet se provádí na základ tzv. zákona šíení nejistot. V nejjednodušším pípad, pokud všechny zdroje nejistot psobí aditivn a nejsou korelovány, použijeme vztah

22bic uuu +=

Je nutno zdraznit, že ub se jako nejistotní složka zapoítává vždy, a korekce na vychýlení byla i nebyla provádna. Poet individuálních standardních nejistot, které kombinujeme, mže být rzný (minimáln budou alespo dv: tzv. mezilehlá pesnost mení, anglicky intermediate precision, nkdy také nazývaná vnitrolaboratorní reprodukovatelnost, a nejistoty vychýlení). Závisí to na složitosti hodnoceného analytického postupu, na metod vyhodnocení nejistoty, kterou analytik volí (tzv. “bottom-up” nebo “top-down”metody), na analytikov pelivosti, jeho znalostech a zkušenostech a možnostech, které má). Obvykle však staí vzít v úvahu jen nkolik málo položek, ale je nutné, aby byly co do velikosti rozhodující. V dsledku toho, že zákon šíení nejistot pracuje s rozptylem (kvadrátem smrodatné

108

odchylky) jako mírou variability, minoritních nejistoty jsou vedle dominantních automaticky zanedbány. Závreným krokem je výpoet tzv. rozšíené, anglicky expanded, nejistoty, U, z celkové kombinované standardní nejistoty mení

cukU ⋅= kde veliina k je koeficient rozšíení (anglicky coverage factor, tedy koeficient pokrytí). Je doporuováno používat k=2, pouze ve výjimených pípadech je volena hodnota 3. Rozšíená nejistota udává polovinu rozsahu nejistotního intervalu, který je pak symetricky rozložen kolem výsledku nameného na reálném vzorku , x, a leží v rozmezí od Ux − do Ux + Tento interval pokrývá velký podíl z rozdlení hodnot, které mohou být rozumn pisouzeny mené veliin. Tento podíl mže být považován za úrove spolehlivosti (coverage probability). Lze pedpokládat, že pi hodnot k=2 je urován nejistotní interval s úrovní spolehlivosti pibližn 95 % a pi k=3 pibližn 99 %. Podmínkou ovšem je, že rozdlení charakterizované výsledkem a celkovou kombinovanou standardní nejistotou lze považovat za pibližn normální a nejistota je urena s dostaten vysokým efektivním potem stup volnosti (pesné urení je však možné jen pokud všechny složky nejistot pispívající ke kombinované nejistot byly získány vyhodnocením typu A). Ve vtšin praktických mení je úrove spolehlivosti pinejlepším pouze pibližná; nemá smysl zkoušet nap. rozlišit úrove spolehlivosti 95 % a bu 94 % nebo 96 %.

Nejistota výsledk použité metody. Urování nejistot je vnováno více pozornosti. Je-li teba urit nejistoty mení pro všechny micí metody používané v dané laboratoi standardn na širokou škálu analyt a matric vzork, je zejm nezbytné pistupovat k tomuto úkolu rutinním zpsobem. V tom pípad doporuujeme nerozpitvávat nejistotní píspvky v rámci kompletního „útu chyb“ (error budget). Lze i vynechat graf píin a následk (fishbone diagram), jehož píliš dsledná aplikace mže vést k nepehlednému bludišti, na jehož základ se pak analytik snaží skombinovat nezvládnutelný poet nejistotních píspvk. V nich pak po pokusech samostatn je kvantifikovat asto opakovan zapoítává píspvky pocházející ze stejných efekt, zamuje se jen na ty složky, jejichž zpsob vyhodnocování je v literatue dobe popsán, i když pro danou micí metodu nejsou podstatné, a na druhé stran naopak vynechává složky dominantní pípadn je siln podhodnocuje, protože neví, jak by nejistotní píspvky vytypovaných dílích efekt reálným zpsobem odhadl. Zejm mén nároný postup urení nejistoty vychází z kombinování nejistotních píspvk odrážejících komplexn psobící efekty z rzných krok postupu, piemž tyto efekty mohou být z rzných úhl pohledu nazírány bu jako systematické nebo jako náhodn promnlivé – postup shora dol (top-down). Postup se opírá o data získaná pi validaci metody a pi vnitním a vnjším ízení jakosti a vede relativn snadno k reálnému odhadu nejistoty. Výsledek = skutená hodnota + vychýlení metody + vychýlení laboratoe + vychýlení bhu + chyba opakovatelnosti

K tomuto schématu lze mít výhrady, nap. že opomíjí nkteré faktory (nap. chyby mení vyvolané interferencí matrice vzorku, která je do jisté míry promnlivá v rámci daného typu vzorku) a dokonce i zásadní pipomínku, že neodpovídá zcela konceptu nejistot dle ISO Guide, v nmž se zámrn neoperuje s pojmem „skutená hodnota“. Umožuje nám však pochopit relativnost pojm „náhodná chyba“ a „systematická chyba“ ve smyslu ISO Guide. Náhodné hyby zpsobují, že výsledky mení získané opakováním mení za uritých podmínek se od sebe vzájemn liší a mají tedy urité rozdlení. SD tohoto rozdlení pedstavuje standardní nejistotu, která mže pocházet z jednoho, pípadn z více zdroj.

109

Hodnotu této SD lze odhadnout práv z výsledk mení stejného vzorku opakovaných za uritých podmínek. Systematické chyby (máme na mysli systematické chyby oznaované obvykle jako konstantní a proporcionální) zpsobují, že výsledky získané opakovaným mením jsou všechny stejn vychýleny (o stejnou hodnotu – konstantní, pípadn relativn stejn - proporcionální). I tyto chyby mení, i když nezpsobují variabilitu výsledk, pispívají k nejistot výsledk. Snažíme se totiž urit hodnotu systematické chyby pro mení provádného za uritých podmínek, tak abychom mohli naše výsledky na tuto chybu pípadn korigovat. Toto stanovení potebné celkové korekce výsledk (systematické chyby - vychýlení) je pochopiteln spojeno s uritou nejistotou, kterou lze opt kvantifikovat jako SD rozdlení možných hodnot stanoveného vychýlení. Celkovou kombinovanou nejistotu výsledk mení lze pak získat kombinací standardních nejistot pro oba typy chyb.

Žebík chyb znázoruje hierarchii chyb a je z nj zejmé, že rozdlení chyb na náhodné a systematické je relativní a závisí na úhlu pohledu (na jakém stupni žebíku stojíme). Žebík chyb na obrázku tedy ukazuje:

1. Paralelní výsledky pro stejný vzorek získané v jediném bhu mení (tj. za podmínek opakovatelnosti) se budou od sebe lišit v dsledku všech možných chyb, které se projevily za daných podmínek jako náhodné (bez ohledu na to, zda to byly nap. náhodné chyby pi doplování odmrných bank dvou paralelních rozklad i náhodné chyby pi dávkování vzorku do pístroje, i náhodná fluktuace citlivosti pístroje bhem mení). Všechny další chyby se projeví jako systematické a lze odhadnout jejich spolenou sumu jako celkové vychýlení všech výsledk mených v daném bhu (nap. mením typického referenního materiálu spolen s promovanými neznámými vzorky v daném bhu). Tímto stanoveným vychýlením je pak možné v pípad jeho významnosti všechny výsledky získané v daném bhu korigovat. Celkovou standardní nejistotu lze tedy urit v rámci jedné laboratoe kombinací SD opakovatelnosti a standardní nejistoty stanoveného spoleného vychýlení pro konkrétní daný bh - postup dle G. E. O’Donnella a D. B. Hibberta.

2. Výsledky mení pro stejný vzorek v rzných bzích, tj. za podmínek mezilehlé pesnosti, se budou lišit navíc proti pedchozímu pípadu v dsledku chyb, které jsou v rámci jednoho bhu stejné, ale v rzných bzích mení jsou promnlivé (nap. chyby pípravy kalibraní roztok a promení kalibraní závislosti, které ve výsledku psobí systematicky v daném bhu, ale liší se pro rzné bhy mení, nebo zmny citlivosti spojené se stárnutím pístroje). Zbylé chyby se opt projeví spolen v celkov stejném vychýlení nebo relativn stejném vychýlení (vychýlení výtžnosti) všech výsledk promovaných v uritém delším asovém období v dané laboratoi, tj. jako systematická chyba laboratoe. Je zejmé, že v rámci laboratoe lze pak urit celkovou standardní nejistotu bu ze SD výsledk opakovaných za podmínek mezilehlé pesnosti, nebo ze SD za podmínek opakovatelnosti a SD systematických chyb bh, a dále v obou pípadech z nejistoty urení celkového vychýlení laboratoe.

3. Výsledky pro stejný vzorek mené v rzných laboratoích stejnou metodou (mení za podmínek reprodukovatelnosti) se budou lišit navíc proti pedchozímu pípadu v dsledku laboratorních vychýlení, která jsou rzná pro jednotlivé laboratoe, a zárove jsou všechny stejn vychýleny v dsledku systematické chyby dané micí metody. Na základ výsledk mezilaboratorní studie mení CRM stejnou analytickou metodou je pak možné stanovit nejistotu z reprodukovatelnosti této analytické metody a z nejistoty urení její celkové systematické chyby a pípadn ji modifikovat pro danou laborato.

4. Pokud míme stejný vzorek rznými metodami v rzných laboratoích, pispívají nakonec k variabilit výsledk i systematické chyby metod – stávají se náhodnými a

110

lze pedpokládat, že se v prmru vyrovnávají, takže prmr výsledk mení stejného vzorku rznými metodami lze považovat za nevychýlený odhad „skutené hodnoty“.

Obr. Žebík chyb

Skutená hodnota

Hodnoty výsledk

Vychýlení metody

Vychýlení laboratoe

Vychýlení bhu

Chyba opakova-telnosti