1

Základy analytické chemie

Josef Komárek

2

Literatura

• Opekar F., Jelínek I., Rychlovský P., Plzák Z.: Základníanalytická chemie, UK Praha 2002.

• Sommer L.: Základy analytické chemie I, II, VUT Brno, 2000.

• Holzbecher Z.: Analytická chemie, Praha 1987.• Zýka J.: Analytická příručka I,II, 1988.• Pánek P., Doubek V.: Základy analytické chemie pro

studenty ekologie 1994.• Skoog D.A., West D.M., Holler F.J., Crouch S.R.:

Fundamentals of Analytical Chemistry 2004.• Valcarcel C. H., Valcarcel M.: Principles of Analytical

Chemistry. A Textbook, 2000.• Fifield F. W., Kealey D.: Principles and Practice of

Analytical Chemistry, 2000.• Harris D. C.: Quantitative Chemical Analysis 1998.

3

Analytick á chemie– vědní obor• ανάλυσις = analysis = rozbor• informace o chemickém složení a povaze látek v prostoru a

v čase• vyvíjí a aplikuje metody, postupy a zařízení• zákonitosti chemických reakcí a fyzikálně- a biochemických

interakcí• metody zpracování analytických dat�� chemickchemickáá analýzaanalýza

– zjištění přítomnosti a množství látek- soubor analytických postupů

• sledování výrobních procesů, monitorovací a kontrolníanalýza (kontrola čistoty vod, půd, ovzduší, potravin)

• biochemické a klinické analýzy (diagnostika chorob, analýza léčiv, drog)

4

Pojmy

� vzorek� analyt• matrice vzorku� analýza kvalitativní –(Co?)• důkaz

anorganických látek- přítomnost iontůorganických látek – prvky a funkční skupiny

• identifikace – zjištění přítomnosti molekul � analýza kvantitativní-(Kolik?)• stanovení

5

Získávání analytických informací

∗ metody subjektivní• vlastní smyslové pozorování - barva, lesk, zápach, chuť,

struktura• využití smyslů jiných organismů∗ metody objektivní• přístroje snímající a měřící určitou vlastnost (analytickou)

systému - metody instrumentální� přímý způsob - bez externího působení na vzorek � interakce vzorku a vnějšího působení• výsledek – odezva - přítomnost - údaj kvalitativní

velikost - údaj kvantitativní� nevyvolá odezvu - negativní důkaz� neselektivní - odezva většiny látek ve vzorku� selektivní - látky patřící do určité skupiny� specifická - charakteristická pro určitou látku

6

Klasifikace analytických metod podle objektu analýzyKlasifikace analytických metod podle objektu analýzy

�� MateriMateriááll ::�analýza vody, geologických materiálů, metalurgických

materiálů, keramiky, stavebních hmot, životního prostředí, léčiv, potravin, klinická analýza

�� Typ stanovovanTyp stanovovanéé slosložžkyky--analytuanalytu::�prvková analýza anorganických i organických vzorků

�analýza organických sloučenin �analýza radioaktivních izotopů

�� Obsah stanovovaných sloObsah stanovovaných složžekek�hlavní složka 1-100 %�vedlejší složka 0,01-1 % �mikrosložka < 0,01 %�stopová analýza < 0,0001 % (µg/g) �ultrastopová analýza (ng/g, pg/g)

�� Velikost vzorku (g, mg, Velikost vzorku (g, mg, µµg, g, ngng, , µµl, l, nlnl))

7

Klasifikace analytických metod podle principuKlasifikace analytických metod podle principu�� ChemickChemickéé metodymetody

�Gravimetrie (vážková analýza)�Volumetrie (odměrná analýza)

�� FyzikFyzikáálnlněě--chemickchemickéé a fyzika fyzikáálnlníí metodymetody�Spektroskopické (optické) metody (záření, částice – elektrony,

ionty) �Elektroanalytické metody�Termické analytické metody�Radiochemické metody• Separační analytické metody�Kapalinová extrakce�Iontová výměna�Chromatografické metody �Destilační analytické metody

�� BiochemickBiochemickéé metody (enzymy, mikroorganismy)metody (enzymy, mikroorganismy)

8

Obecný postup Obecný postup ppřři analýzei analýze

�� OdbOdběěr vzorkur vzorku��ReprezentativnReprezentativníí vzorekvzorek��HomogennHomogenníí vzorekvzorek

�� PPřřevedenevedeníí vzorku na formu vhodnou k analýzevzorku na formu vhodnou k analýze��RozpouRozpouššttěěnníí, rozklad, lisov, rozklad, lisováánníí prprášáškových vzorkkových vzorkůů��Separace sloSeparace složžek, zkoncentrovek, zkoncentrováánníí slosložžek ek

�� MMěřěřeneníí analytickanalytickéého signho signáálulu��Hmotnost, objem, tok elektromagnetickHmotnost, objem, tok elektromagnetickéého zho záářřeneníí nebo iontnebo iontůů, ,

elektrický potencielektrický potenciáál, proud, nl, proud, nááboj, vodivostboj, vodivost

�� VyhodnocenVyhodnoceníí dat dat ��StStřřednedníí hodnota, nejistoty stanovenhodnota, nejistoty stanoveníí

�� ZZáávvěěry a zprry a zpráávava

měřeníanalytického

signálu

materiál odběr vzorku laboratornívzorek

přípravavzorku k měření

analytický výsledek

9

Odběr a příprava vzorku k analýze

• odběr vzorku je nedílnou a důležitou součástí každé analýzy• kvalita provedení se projeví na správnosti a přesnosti analýzy• špatný odběr - znehodnocuje výsledek analýzy

• při odběru - nutno přihlížet k povaze a původu vzorku (biologický vzorek, výrobní produkt, odpad, potravina)

- k charakteru vzorku (velikost částic, zrnění)

• zohlednit způsob uskladnění vzorku a jeho vlastnosti

• způsoby odběru pevných, kapalných a plynných vzorků se liší

• po odběru vzorek upravit do formy požadované pro analýzu• způsob odběru vzorku a odběrové zařízení se řídí předpisy a

normami, předepsaná metodika

10

Vzorkování tuhých látek

∗ problém heterogenita - různě velké kusy- nerovnoměrné rozložení analytu

• čím je vzorek heterogenější, tím větší množství se odebírá, někdy 1-2% z celkového množství

• dílčí vzorky z několika míst -průměrný vzorek (1-15 kg)• čím hrubší materiál- tím větší vzorek• hrubý kusový materiál -čelisťový, válcový drtič• rozemletí - kulový, válcový mlýn• dělení kvartace nebo použitím mechanických

děliček až na vzorek o hmotnosti několika gramůa hrubosti prachupro analytické operace

11

Odběr biologických vzorků

• volně skladované drobné zboží (ovoce, zelenina, brambory) – několik kusů z povrchu a z různých vrstev

• jemnozrnný materiál - vzorkovače φ 5 cm, délka 1 m• sypký materiál v pytlích, sudech, kartonech - sondou• polotekuté a kašovité materiály skladované v bazénech, tancích -

odběr z vrstev• drůbež, zvěřina – celá balení nebo kusy• zmrazené maso, ryby – ve zmrazeném stavu – z povrchu, i vnitřku

malé balení celé

vzorkovač sypkých a zrnitých materiálů

12

Odběr biologických vzorků• analyzovaný vzorek - musí být reprezentativní

- uchováván tak, aby se jeho složení neměnilo• množství závisí na heterogenitě materiálu,

obsahu analytu• laboratorní vzorek - 100-1000 g• drcení, roztírání, mletí - třecí misky, mlýnek, Plattnerův hmoždíř

z achátu, korundu, ZrO2 • živočišné tkáně - rozkrájení nerezovým nožem na malé kostičky,

rozemletí na masovém mlýnku, homogenizátor (3-5 oC)• přesná dokumentace• vzorkovnice z materiálu

neovlivňujícího vzorek- široké hrdlo, neprodyšné uzavření- skleněné nádoby se zábrusovým

uzávěrem- zatavené plastové sáčky,

plastové prachovnicePlattnerův hmoždíř třecí miska

13

Vzorkování kapalin

• menší problémy s heterogenitou• často se stálostí vzorku - některé ukazatele ihned po

odběru (pH, rozpuštěné plyny) - zakonzervování vzorku

(například úpravou pH) • pipety (násosky), sondy, upravené nádoby• odběr do vhodných nádob - vzorkovnic (plastové,

skleněné)• homogenizace - promícháním, přeléváním

14

Vzorkování plynných látek

* pro stanovení makrosložek - do nádob určitého objemu • vzorkovací pipety, sondy (uzavření pomocí kohoutů nebo sept)

200-2000 ml

plynoměrná pipeta

* pro stopové koncentrace - dynamická metoda vzorkování- vzduch prochází odběrovým zařízením, kde se sledovaná složka absorbuje v absorpčním mediu nebo na sorbentu- lze tak zkoncentrovat analyt z většího objemu

• využití adsorpce, absorpce a vymrazení analytu• alkalické filtry, promývačka s NaOH- kyselé plyny SO2, NOx• polétavý prach - membránový filtr (Synpor 4)

15

Rozpouštění, mokrý rozklad a mineralizace vzorků

• látky rozpustné ve vodě se rozpouštějí ve vodě za chladu nebo za zvýšené teploty

• látky ve vodě nerozpustné se rozpustí v organickém rozpouštědle• látky ve vodě částečně rozpustné se převádějí do roztoku

přídavkem zředěné kyseliny nebo hydroxidu• materiál ve vodě nerozpustný se pro anorganickou analýzu musí

rozložit

Druhy rozkladu vzorků pro anorganickou analýzu• prostý rozklad zředěnou kyselinou• prostý rozklad koncentrovanou kyselinou• tavení vhodnými tavidly• tlakový rozklad vzorku• mikrovlnný rozklad vzorku

16

Rozklad zředěnou kyselinou• obvykle HCl a HNO3

• HCl, když rozklad nevyžaduje oxidovadlo• HNO3, když je potřeba oxidace

Mokrý rozklad koncentrovanou kyselinou• nejčastěji HCl, HNO3, H2SO4, HClO4, HF• HNO3 - oxidační vlastnosti kyseliny (stanovení kovů ve vlasech)• směs HCl a HNO3 - lučavka královská (Au, Pd, Pt)

3 HCl + HNO3→ Cl2 + NOCl + 2 H2O2 NOCl → Cl2 + 2 NO 2 NO + O2→ 2 NO2

- vlastní rozpouštěcí činidlo - chlor, rozkladem vzniká chlorid kovu• koncentrovaná H2SO4 - velmi silná kyselina vykazující dehydratační

a oxidační vlastnosti - vhodná rovněž k rozkladu organických látek• koncentrovaná kyselina chloristá - vhodná pro oxidační rozklady

- chloristany dobře rozpustné ve vodě - práce vyžaduje maximálníopatrnost

• kyselina fluorovodíková - k rozkladu křemičitanů za tepla, vznikáplynný SiF4 - mnohdy kombinace s jinými kyselinami (HClO4)

17

Rozklady tavením

• výsledkem tavení obvykle vznik dvou složek, z nichž jedna je rozpustná ve vodě a druhá ve zředěné kyselině

• zásadité a kyselé tavení

• tavení lze provádět v platinovém, niklovém, někdy v porcelánovém kelímku

� zásadité tavení s alkalickými uhličitany

• tavidlo – Na2CO3, K2CO3 nebo směs těchto uhličitanů

• obvykle k rozkladu síranů a některých křemičitanů

• tavení s Na2CO3 - silikáty, půdy

18

Mokrý tlakový rozklad

• za zvýšené teploty v autoklávech• k rozkladu slouží kyselina, často HClči HF, případně ve směsi s HNO3

nebo H2SO4

• pro biologické materiály oxidujícíminerální kyseliny (HNO3, H2SO4, HClO4) příp. + H2O2

• možné převést do roztoku i materiály, které se za normálního tlaku kyselinami nerozkládají

• možná vyšší teplota rozkladu, obvykle 150 °C - 250 °C

• snížení kontaminace z atmosféry• běžný ohřev – prodloužení doby trvání

primárním ohřevem autoklávu a nádobky

19

Mikrovlnné rozklady

• mineralizace organických a biologických materiálů

• energie k ohřevu vzorku - prostřednictvím mikrovlnného záření

• v otevřených i v uzavřených systémech

• rozklad v uzavřeném systému - rozklad v nádobce z odolného

plastu (teflon) za zvýšeného

tlaku

• mikrovlnné záření

- generováno magnetronem

ve speciální laboratorní

mikrovlnné rozkladné peci

otevřený systém

20

Mikrovlnná energie

• λ = 5 .10-2 – 1 m ν = 300 MHz - 300 GHz– nízká energie – rotace dipólů, pohyb molekul, iontů– komerčně od 2,45 GHz – vybuzení rotace (dipólů vody)

21

Mikrovlnné rozklady• moderní mikrovlnné pece umožňují současný rozklad více vzorků• rozkládat lze vzorky přírodního původu i syntetické materiály• biologické vzorky (krev, krevní plazma, vlasy, rostlinné, živočišné

tkáně, houby) (při stanovení kovů v potravinách)• v přítomnosti silných minerálních kyselin a oxidačních činidel

(HNO3, HCl, HF, H2O2)• rozkladný program je vhodné

rozdělit do několika fází• postupné zvyšování intenzity

mikrovlnného zářeník zabránění bouřlivého průběhu reakce

• produktem mineralizace je čirý, homogenní roztok

22

Mokrý rozklad nízkoteplotní

* UV -fotolytická mineralizace vzorků

• UV záření + H2O2působením UV záření- H2O2 - reaktivní OH radikály - radikálové reakce- rozklad organoarsenitých sloučenin, analýza přírodních vod, odpadních vod, nápojů, půdních extraktů

- promíchání roztoků - nucená konvence -proti sobě umístěny zóny vyhřívací a chladící

- odpařování vzorku zabráněno chlazením horníčásti nádobek

- teplota ovlivněna průtokovou rychlostíchladící vody a objemem vzorku

23

Metody rozkladu biologických materiálů

* suchý rozklad

• vysokoteplotní - muflová pec - zpopelnění organických látek

- rostlinný materiál - spalování při 400-550 oC

- živočišný původ - popel s uhlíkem- přídavek oxidačníhočinidla-

Mg(NO3)2• nízkoteplotní - radiofrekvenční plazma - rozklad pod

vlivem vysokofrekvenčního magnetického pole v kyslíkovém plazmatu za nízkého tlaku a nízké teploty (150 oC) - studené plazma

24

Muflová pec

klasická

mikrovlnná

25

Izolace organických látek ze vzorku

• záleží na jejich teplotě varu a polaritě

• metody: extrakce rozpouštědlem

superkritická fluidní extrakce (SFE)

head-space

• extrakce: látky labilní-za pokojově nebo snížené teploty

náchylné k oxidaci - v inertní atmosféře nebo se stabilizačními přísadami

citlivé na světlo- ve tmě, kryt z Al-fólie

• urychlení: ultrazvuková lázeň

za varu pod zpětným chladičem

-Soxhletův extraktor – vzorek v extrakčnípatroně z papíroviny nebo ve "skleněné svíčce

s fritou"

26

SFE: extrakce tekutinou v nadkritickém stavu

• nadkritická kapalina tj. plyn za tlaku a teploty vyšší než kritický bod-hustý plyn

• fyzikální vlastnosti- mezi kapalinou a plynem- nízká viskozita a vysoký difuzní koeficient -dobrá rozpouštěcí schopnost

• nejčastěji CO2

• pro extrakci polárních látek modifikace přídavkem methanolu• kolekce analytů je dosaženo snížením tlaku ve sběrači s vhodným

rozpouštědlem• expanzí superkritické

kapaliny-ochlazovánírozpouštědla

27

Head-space

• dosažení rovnováhy mezi vzorkema plynnou fází v uzavřeném systému

• nádobka se temperuje po určitou dobu -odebírá se plynná fáze

Solubilizace biologických materiálů• enzymatická hydrolýza (se směsí lipáz a proteáz) • loužení s kyselinou octovou• alkalická hydrolýza s tetramethylamoniumhydroxidem• loužení směsí NaOH(nebo HCl)-methanol