INSTRUMENT ÁLNÍ METODY

1. INSTRUMENTÁLNÍ METODY Ing. Alena Hejtmánková, CSc. Katedra chemie Agronomická fakulta ČZU Praha © Praha, 2003

2. určování látkového složení soustav kvalitativní analýza kvantitativní analýza důkaz, identifikace množství, obsah k tomuto účelu slouží chemické metody instrumentální metody založeny na chem. reakcích = f (c) PŘEDMĚT ANALYTICKÉ CHEMIE stanovení malých a stopových množství látek Instrumentální metody.

3. f f4 f3 fvzorku f2 f1 cvzorku S1 S2 S3 S4 c KALIBRAČNÍ GRAF Standardy Si− známé množství analytu • Slepé pokusy • Kontrola spolehlivosti metody • referenční materiály (RM) Instrumentální metody.

4. ROZDĚLENÍ INSTRUMENTÁLNÍCH METOD • podle typu měřených veličin • optické metody • elektrometrické metody • separační metody Instrumentální metody.

5. OPTICKÉ METODY založeny na vzájemném působení látek a elektromagnetického záření nebo jeho vzniku spektroskopické metody mezi látkou a elektromagnetickým zářením dochází k výměně energie spektrometrické metody emisní spektrometrické metody absorpční nespektroskopické metody refraktometrie  využití lomu světla polarimetrie  využití stáčení roviny polarizovaného světla Instrumentální metody.

6. vlnová délka l [m] rychlost v [ms-1] vakuum max. c = 3.108 ms-1 frekvence (kmitočet)n(ný) [s-1] vlnočet n(ný) [m-1] c n = = n c λ ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ kvantum energie E přenášené fotonem Planckova konstanta h = 6,6.10-34 Js-1 Instrumentální metody.

7. původ spekter a jejich rozdělení E2 E2 E1 emise E0 excitace c n = = - = Ε E E h h 2 1 λ ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ Instrumentální metody.

8. hrana série (největší intenzita) E E l l SPEKTRA LÁTEK soubor energetických hladin atomů a molekul je charakteristický charakteristické spektrum Spektrum čarové (atomy) Spektrum pásové (molekuly a složitější ionty) Instrumentální metody.

9. SPEKTRÁLNÍ OBLASTI Instrumentální metody.

10. Spektrální přístroje • základní optika (mřížka, hranol, kyvety) • pomocná optika (čočky, zrcadla, clony) • detektor (fotonky, fotonásobiče, fotomateriál, oko) • zdroj záření (deuteriová výbojka, wolframová lampa, …) EMISNÍ SPEKTROMETRICKÉ METODY excitace elektronů do vyšších vrstev −samovolný návrat zpět emise elektromagnetického záření (charakteristické l) stanovovaná látka je po excitaci zdrojem záření Kvalitativní analýza (charakteristické l) Kvantitativní analýza (intenzita spektrálních čar) Instrumentální metody.

11. PLAMENOVÁ FOTOMETRIE stanovení: alkalické kovy, Ca • zrcadlo • plamen (t = 2300 ºC, acetylen + vzduch, N2O) • monochromátor • čidlo a vyhodnocovací zařízení Instrumentální metody.

12. DALŠÍ EMISNÍMETODY Spektrografie zdroj energie − elektrický výboj (jiskrový, obloukový) teplota 3000 − 30 000 ºC spektrometr (kvantometr) stanovení: téměř všechny kovy a Si, P, S Fluorimetrie doba dosvitu − max. 10−5 s stanovení: některé kovové ionty a B (komplexy) přírodní látky (alkaloidy, vitaminy, hormony, enzymy) Instrumentální metody.

13. I 0 = = A log ε d c I d I < I0 I0 I c ABSORPČNÍ SPEKTROMETRICKÉ METODY Lambert − Beerův zákon • A = absorbance • = absorpční koeficient d = tloušťka absorpční vrstvy c = koncentrace analytu e = f (l, T) Instrumentální metody.

14. ATOMOVÁ ABSORPČNÍ SPEKTROMETRIE (AAS) stanovení: většina kovů a některé nekovy • výbojka s dutou katodou (stejná jako stanovovaný prvek) • plamen (t = 2300 ºC, acetylen + vzduch, N2O) • monochromátor • čidlo a vyhodnocovací zařízení Instrumentální metody.

15. A [] 200 250 300 350 400 [nm] l SPEKTROFOTOMETRIE (UV, VIS) barevné látky absorbují v oblasti VIS, některé bezbarvé látky se dají převést vybarvujícími činidly na barevné Absorpční křivka • stanovení: • většina prvků • jednodušší sloučeniny • složené ionty • organické sloučeniny • přírodní látky Instrumentální metody.

16. I0 I1 c1 I0 I2 c2 d1= d2 KOLORIMETRIE založena na subjektivním hodnocení barevnosti roztoků Kolorimetrie srovnávací Kolorimetrie vyrovnávací stejně barevné roztoky Instrumentální metody.

17. C S CH2 C=O 3700 2000 1000 750 400 INFRAČERVENÁ SPEKTROSKOPIE (IČ) vibrační stavy molekul  vlnočty 3700 až 400 cm1 studium struktury organických látek T [] stanovení: vlhkost, tuk, dusíkaté látky, laktóza,… n [cm-1] Instrumentální metody.

18. c1 (r1) a prostředí 1 prostředí 2 b c2 (r2) REFRAKTOMETRIE měření indexu lomu n pro r2 > r1 je c1 > c2 absolutní index lomu (1 = vakuum) index lomu závisí na teplotě a l l  n  úhel b závisí na hustotě prostředí (látkové složení) Instrumentální metody.

19. VYUŽITÍ REFRAKTOMETRIE r = hustota n = index lomu r = měrná refrakce Lorentz-Lorenzův vztah Molární refrakce RM molární refrakce je aditivní veličina hodnoty molární refrakce jsou tabelovány univerzální využití  např. stanovení sacharózy v cukerných šťavách Instrumentální metody.

20. specifická otáčivost, konstanta závisí na teplotě, na l a na rozpouštědle POLARIMETRIE látka s asymetrickou strukturou stáčí rovinu polarizovaného světla polarizované světlo kmitá v jedné rovině stanovení opticky aktivních látek pravotočivé (+) levotočivé (−) cukry, vitamíny, alkaloidy, steroidy,... sacharimetr  přístroj měří otáčivost a, stupnice přímo v % cukru Instrumentální metody.

21. UE +  C ELEKTROMETRICKÉ METODY Princip: dvojice elektrod ponořená do roztoku tvoří elektrochemický článek měří se jevy spojené s výměnou energie mezi elektrolytem a elektrodami Instrumentální metody.

22. + - = - U E E E POTENCIOMETRIE Princip: využívá se elektrodové reakce měří se elektromotorické napětí článku UE měrná elektroda E = f(c) referentní elektroda E ≠ f(c) přímá potenciometrie pH metry (měří se pH) nepřímá potenciometrie indikuje se konec titrace Kalibrace pH metru − provádí se na 2 pufry (1. kalibrační bod při pH = 7, 2. kalibrační bod při pH v měřené oblasti) Instrumentální metody.

23. INDIKAČNÍ ELEKTRODY Skleněná elektroda− nejvýznamnější, E = − 0,059 pH (t = 25 ºC) použitelná v rozsahu pH 1 −13 Vodíková elektroda− konstrukčně velmi náročná, ale velmi přesná (standard), E = − 0,059 pH (t = 25 ºC), použitelná v celém rozsahu pH Antimonová a bizmutová elektroda− (ox – red), kov pokryt vrstvou oxidu, E = k − 0,059 pH (t = 25 ºC) Sb použitelná v rozsahu pH 3–11 Bi použitelná v rozsahu pH 3 – 14 Chinhydronová elektroda− (ox – red), směs chinon-hydrochinon 1:1, E = 0,699 − 0,059 pH (t = 25 ºC), použitelná pro pH 0– 8,5 Instrumentální metody.

24. 20 E [mV] 15 EBE 10 bod ekvivalence 5 0 V [ml] NEPŘÍMÁ POTENCIOMETRICKÁ MĚŘENÍ Stanovení bodu ekvivalence potenciál indikační elektrody je závislý na spotřebě odměrného činidla a v bodě ekvivalence se prudce mění Instrumentální metody.

25. I Id U E1/2 POLAROGRAFIE difusní proud Id = f(c) E1/2 = půlvlnový potenciál (typ látky) stanovení většiny kovových kationtů, některé anionty, organické látky Instrumentální metody.

26. KONDUKTOMETRIE průchod proudu způsobuje migraci iontů, reakce na elektrodách je potlačena střídavým napětím G = vodivost, jednotka 1 S (siemens) = 1 W-1 přímá konduktometrie konduktometry (kontrola čistoty vody, kvalita mléka, stupeň zasolení půdy) nepřímá konduktometrie indikuje se konec titrace Instrumentální metody.

27. ELEKTROLYTY Elektrolyt − vodič 2. třídy−přenos náboje migrací iontů k elektrodám • Vodivost závisí na • počtu iontů v roztoku • velikosti nábojů • iontové pohyblivosti všechny ionty mají srovnatelnou pohyblivost výjimky: OH- (2-3krát vyšší) H3O+ (5-6krát vyšší) vodiče 1. třídy S = průřez vodiče l = délka vodiče Instrumentální metody.

28. l 1/c MĚŘENÍ VODIVOSTI Měrná vodivost k[Scm1]  slouží pro srovnání při měření různými elektrodami Molární vodivost l[Scm1 l mol1]  měrná vodivost vztažená na koncentraci vodivost roztoku roste s jeho zředěním molární vodivost při nekonečném zředění l0 je tabelována Instrumentální metody.

29. MĚŘENÍ VODIVOSTI Měření vodivosti užívají se vodivostní nádobky (2 fixované platinové elektrody (mezi nimi je elektrolyt) cR  odporová konstanta nádobky stanoví se experimentálně odráží geometrii nádobky použije se např. 0,01 M roztok KCl (měrná vodivost k je tabelována) vodivost standardního roztoku se změří konduktometrem Instrumentální metody.

30. VYUŽITÍ KONDUKTOMETRIE Přímá konduktometrie 1.množství solí c ve vodě [mg/l] s množstvím iontů roste vodivost G (nespecifická metoda) stanovení množství solí ve vodě (nelze určit, o které soli se jedná) 2. kontrola kvality mléka 3. stupeň zasolení půdy Instrumentální metody.

31. G [S] G [S] bod ekvivalence bod ekvivalence ml OH- ml OH- VYUŽITÍ KONDUKTOMETRIE Nepřímá konduktometrie 1. určení bodu ekvivalence při acidobazických titracích (také argentometrické a chelatometrické titrace) iontové pohyblivosti H3O+ a OH- iontů jsou výrazně vyšší Titrace silné kyseliny (HCl) Titrace slabé kyseliny (CH3COOH) Instrumentální metody.

32. SEPARAČNÍ ANALYTICKÉ METODY oddělení složek ze směsí a jejich stanovení • jednoduché postupy • frakční srážení • destilace • sublimace • extrakce (dělicí nálevka) • složitější postupy • extrakce (Soxhletův přístroj) • chromatografie • elektroforéza Instrumentální metody.

33. org voda + EXTRAKCE Extrakce látky z kapaliny do kapaliny dělicí nálevka 2 nemísitelné kapalné fáze voda polární organické rozpouštědlo méně polární Rozdělovací koeficient KD účinnější je vytřepávat vícekrát menším množstvím kapaliny než jednou velkým množstvím Instrumentální metody.

34. EXTRAKCE ionexy S-DVB pryskyřice katexy např. SO3H anexy např. N(CH3)3OH výměnná kapacita ionexu[mmol/g] čištění vody Instrumentální metody.

35. EXTRAKCE Extrakce tuhé látky kapalinou Soxhletův přístroj selektivní rozpouštění Význam extrakce 1. odstranění rušivých složek zjednodušení matrice zvýšení koncentrace vzorku 2. izolace jednotlivých složek směsi např. tuky z biologického materiálu chloroformem (Soxhlet) Instrumentální metody.

36. mobilní fáze směs 3 2 1 stacionární fáze start t0 CHROMATOGRAFIE látka se rozděluje nepohyblivou (stacionární) a pohyblivou (mobilní) fázi Instrumentální metody.

37. f [] a t0 b tr1 tr2 tr3 t [min] CHROMATOGRAMY vnější chromatogram (na výstupu) vnitřní chromatogram retenční časy tr čelo mob. fáze retardační faktor Instrumentální metody.

38. METODY CHROMATOGRAFIE Kvalitativní analýza na základě standardů (tr a RF) Kvantitativní analýza  výška píku, velikost nebo hmotnost skvrny Plynová chromatografie GLC, GSC omezení: bod varu stanovovaných látek < 400 °C důkaz i stanovení řady níževroucích látek organického charakteru Kapalinová chromatografie LLC, LSC, HPLC !! důkaz i stanovení přírodních látek, reziduí pesticidů, …. Papírová chromatografie PC Chromatografie na teké vrstvě TLC Instrumentální metody.