Analytické metody

1. Analytické metody Jana Matějčková

2. Příklady • Molární koncentrace vodného roztoku NH4HCO3 je 300 mmol/l. Kolik osmoticky aktivních částic obsahuje a jaká je osmolarita roztoku? • Ze 150 g 65% HNO3 je třeba připravit 2% kyselinu. Kolik vody je třeba k jejímu zředění? • Při fotometrickém stanovení fenolu byla u vzorku zjištěna T =66,5%. Transmitance standardu o koncentraci 20 mg/l byla 56,2%. Jaká je koncentrace fenolu ve vzorku? • Jaká je disociační konstanta slabé kyseliny, jestliže její vodný roztok o koncentraci 0,2M má pH 2,96?

3. Příklady • Tlumivý roztok se připravuje smícháním HCl a KCl. Kolik ml 0,2M roztoku KCl musíme smíchat s 18,82 ml 0,2M HCl, abychom připravili pufr o pH 1,5? pK je 1,28. • 7% roztok uhličitanu sodného má hustotu 1,048 g/cm3. Jaké je koncentrace kyseliny? Mr=100 • 80% zásobní roztok léčiva je naředěn v poměru 1:5. Z tohoto zásobního roztoku je nutno připravit 150 ml 3% roztoku léčiva. Kolik ml zásobního roztoku spotřebujete? • 1,5 litru roztoku obsahuje 65 g MgCl2. Kolik mmol Cl- iontů je obsaženo ve 200 ml tohoto roztoku? Mr (MgCl2) = 95

4. Příklady • Jaké bude pH roztoku vzniklého smísením 0,5 dm3 3% kyseliny sírové (r=1,018 g/cm3) se 1,2 L roztoku kyseliny sírové, jejíž koncentrace je 0,3M? Mr = 98 • Koncentrace Na+ iontů v plazmě je 138 mM a objem plazmy v těle dospělého jedince vážícího 70 kg je asi 3,4 litru. Kolik gramů Na+ iontů se nachází v tomto objemu plazmy? Ar (Na) = 23 • V jakém poměru je nutné smíchat roztok 0,1 M Na2HPO4 a roztok 0,1 M NaH2PO4, abyste získali pufr o pH = 7,5? pKa = 7,2. Výsledek uveďte v poměru Na2HPO4 / NaH2PO4. • Kolik mg glukózy je třeba na přípravu 0,15 L roztoku o koncentraci 12 mmol/l?Mr (glukóza)=180

5. Příklady • Vypočítejte pH 0,2 M roztoku NH4OH. Disociační konstanta NH4OH je 1,8*10-5. • Vypočítejte Kdis 0,2 M kyseliny mléčné, jejíž pH = 2,5. • Jaké bude pH roztoku, který vznikne doplněním 50 cm3 roztoku NaOH o c = 0,2 M na objem 800 ml? • Jaké bude pH pufru, který vznikl smícháním 300 ml 0,5 M kys. octové a 100 ml 0,7 M octanu sodného, pKA = 4,76.

6. návody na praktika • http://www.lf3.cuni.cz/cs/pracoviste/chemie/vyuka/Module_IB/Practicals/index.html

7. Protokol • vzorový na webu • jméno, datum • název úlohy • cíle práce • princip metody • odchylky od pracovního postupu • všechny naměřené hodnoty • výpočty • přehledné tabulky • závěr, odpovědi, diskuse – zhodnocení výsledků

8. Volumetrie • kvantitativní metoda • měření objemů roztoků • ke stanovení neznámých koncentrací analyzovaných látek • odměrný roztok o přesné koncentraci • roztok vzorku s látkou o neznámé koncentraci • indikátor – detekuje bod ekvivalence

9. Odměrná analýza – titrace, volumetrie • chemická reakce mezi stanovovanou látkou a odměrným činidlem • činidla se přidává takové množství, které je ekvivalentní množství analytu • z objemu přidaného roztoku činidla, jeho koncentrace a stechiometrie reakce se stanoví obsah analytu • přídavky indikátorů, pufru, popř. katalyzátorů • titrační baňky, byreta

10. Bod ekvivalence • bod ekvivalence • v bodě ekvivalence dochází skokem k fyzikálně-chemické změně, kterou lze snadno indikovat • vizuální – změna barvy (trvalé zbarvení), indikuje první nadbytečnou kapku přidaného OR (ve skutečnosti je při změně zbarvení roztok přetitrován), subjektivní • instrumentálné – pomocí přístrojů (elektrodový potenciál, el. vodivost), objektivní • stav, kdy chemicky ekvivalentní množství (látková množství) odměrného roztoku a vzorku právě zreagovaly • n (odm. roztoku) = n (analyz. látka)

11. Odměrná analýza – titrace, volumetrie Titrační křivka • závislost sledované veličiny na objemu titr. činidla • změna pH na V titr. činidla

12. Acidobazické titrace • acidobazické titrace jsou založeny na reakci mezi kyselinou a zásadou • neutralizační reakce produkují sůl a vodu • reakcí silné kyseliny a silné zásady vzniká neutrální roztok (pH = 7) • acidimetrie: odměrným roztokem je kyselina, vzorek je zásada • alkalimetrie: odměrným roztokem je zásada, vzorek je kyselina • tato metoda se používá ke stanovení acidity žaludeční šťávyvgastroenterologii

13. Odměrná analýza – titrace, volumetrie Odměrné roztoky: • přesné, čisté, skutečná koncentrace (faktor) • titrace odměrným roztokem OR o teoret. koncentraci (standardní roztok) • skutečná spotřeba • f = předpokládaná spotřeba OR / skutečná spotřeba OR • f = 1,0 = přesnákoncentrace, faktor, titr • pak se faktor dosadí do rovnice c = n/V … n = c . V . f

14. Odměrná analýza – titrace, volumetrie Druhy titrací: • neutralizační – reakce mezi kyselinou a zásadou • alkalimetrie (OR zásady titrujeme kyselinu) • acidimetrie (OR kyseliny titrujeme zásadu) • srážecí– při reakci vzniká nerozpustná sraženina (AgNO3) • komplexotvorné– tvorba málo disociovaných, avšak ve vodě rozpustných sloučenin – kovových komplexů (př. EDTA) • oxidačně-redukční– při reakcích dochází k výměně elektronů • oxidimetrie – OR je oxidační činidlo – manganometrie • reduktometrie – OR je redukční činidlo

15. Výpočty ve volumetrii Podle chemické rovnice: aA + bB→ cC + dD a, b = stechiometrické koeficienty • bod ekvivalence – bod kde právě zreagovala chemicky ekvivalentní látková množství látek A a B n(A) = n(B)n = c x V (n = c x V x f) cA x VA = cB x VB v případě stejnýchstechiometrických koeficientů n(A)/n(B) = a/b a xcB x VB = b x cA x VAv případě různých stechiometrických koeficientů, protože a/b = n(A)/n(B) → a x n(B) = b x n(A)

16. Příklady • 20,0 ml vzorku žaludeční šťávy zneutralizováno 25 ml 0,1 M NaOH. Jaká je molarita HCl v žaludeční šťávě? • 25,0 ml vzorku H2SO4 bylo zneutralizováno 15,0 ml 0,5 M NaOH. Vypočítejte molární koncentraci H2SO4 ve vzorku.

17. Stanovení acidity žaludeční šťávy B3 • odměrná analýza • indikátor - fenolftalein • zkouška s vodou • ! faktor NaOH

18. Potenciometrie • elektrochemická metoda • bezproudé měření elektromotorického napětí galvanického článku – potenciálový rozdíl mezi indikační (měrnou) a referenční (srovnávací) elektrodou ponořenými do analyzovaného roztoku • určení bodu ekvivalence při neutralizačních nebo redox. titracích • indikační elektroda – závisí na aktivitě stanovované látky, např. iontově selektivní elektroda (pro ionty), skleněná elektroda (pro stanovení aktivity H+), její potenciál se mění v závislosti na aktivitě (konc.) analyzované látky • referentní elektroda – je stabilní, konstantní, nezávisí na aktivitě stanovované látky, např. argentochloridová, kalomelová elektroda • měříme rozdíl potenciálů (napětí) – potenciál nelze měřit jako takový

19. Potenciometrie

20. Potenciometrie • závislost elektrodového potenciálu na aktivitě stanovované látky – Nernstova-Petersonova rovnice • pro elektrodový děj platí: ox. + n e- red • E = elektrodový potenciál • E0 = standardní elektrodový potenciál • R = molární plynová konstanta (8,314 J K-1 mol-1) • F = Faradayova konstanta (96458 C mol-1) • T = absolutní teplota (25oC = 298 K) • n = náboj stanovovaného iontu • a = aktivita stanovovaného iontu

21. Potenciometrie • elektrodový potenciál závisí na T roztoku a aktivitě („koncentraci“) a náboji stanovovaného iontu • elektrodový potenciál nepotřebujeme počítat – ke kalibraci potenciometru se používají standardy • ELEKTRODY – KLASIFIKACE • elektrody I. druhu (kovové nebo plynové) • elektrody II. druhu (kov + jeho nerozpustná sůl → referentní elektrody) • redoxní elektrody (Pt, Au) • membránové elektrody (ISE)

22. Iontově selektivní elektroda • senzitivníprojeden specifický iont v roztoku • složeny ze speciální membrány schopné vyměňovatsvé vlastní ionty za specifický iont z roztoku • Význam ISE: • převádějí aktivitu specifického iontu přítomného v roztoku na elektrický potenciál, který může být změřen voltmetrem nebo pH metrem • vklinických laboratoříchje používáno několik typů ISE: např. elektrodaspecifická pro H+(„skleněná elektroda“), Na+, K+, Cl-

23. Skleněná elektroda pro měření pH • skupina ISE • specifická pro koncentraci H+ iontů v roztoku Iontová výměna v membráně: Na+(sklo) + H+(aq)↔ H+(sklo) + Na+(aq) Skleněná elektroda = indikační elektroda Kalomelová elektroda = referentní elektroda

24. Kombinovaná elektroda

25. Měření pH fosfátového pufru B4 • potenciometrie • kalibrace pH metru • magnetická míchačka! • měření pH

26. Chromatografie • metody založené na rozdělování látek mezi dvě fáze • opakované ustavování rozdělovacích rovnováh vzorku mezi 2 fázemi (mobilní a stacionární) • stacionární fáze – nepohyblivá, mobilní fáze - pohyblivá • vzorek je unášen tokem mobilní fáze kolonou • ty složky, které jsou zadržovány stacionární fází více, se pohybují kolonou pomaleji • složky méně zadržované se pohybují rychleji Distribuční poměr (konstanta) KD = [X]s / [X]m

27. Chromatografie Rozdělení: • podle skupenství mobilní fáze • kapalinová – LC • plynová – GC • podle uspořádání stacionární fáze • kolonová • papírová (na papíře) • tenkovrstevná – TLC (na skleněné desce, hliníkové folii) • podle děje, který převládá při separaci • rozdělovací • adsorpční • iontově-výměnná • gelová • afinitní

28. Chromatografie • Plynová chromatografie • pro těkavé látky, které je možné převést do plynného stavu • mobilní fáze – nosný plyn • ve spojení s MS • pro monitorování drog v krvi, stanovení alkoholu v krvi, analýza potravin a kosmetických přípravků, analýza ropných produktů, analýza životního prostředí • Kapalinová chromatografie • nízkotlaková a vysokoúčinná • mobilní fáze – výběr polarity (polární - voda, methanol, acetonitril, nepolární - pentan, heptan, chloroform) • ve spojení s MS • analýzy roztoků netěkavých látek v komplexních matricích, analýza životního prostředí (PAH), stanovení půdy, vody, farmaceutická analýza

29. Plynová chromatografie Schéma přístroje GC • nosný plyn • dávkovač • kolona • detektor • termostatovaný prostor • řídící a vyhodnocovací zařízení • rozdílné analyty mají rozdílnou afinitu k sorbentu • různé analyty vykazují různou distribuci mezi sorbentem a eluentem • rozdílné analyty jsou rozdílně zadržovány

30. Kapalinová chromatografie Schéma přístroje HPLC

31. TLC – tenkovrstevná chromatografie • mobilní fáze: cyklohexan, toluen, aceton,.... • stacionární fáze: silikagel • porovnáváme vzdálenosti frakcí od startovní linie • více praktické je porovnání retardačních faktorů (Rf)jednotlivých frakcí: Rf = a/b a = vzdálenost od startovní linie do středu skvrny b = vzdálenost od startovní linie do cílové linie mobilní fáze • využívána v kvalitativní analýze • v klinické toxikologii - screening opiátů, amfetaminu nebo kanabinoidů b a

32. Identifikace

33. Chromatografie Chromatografické termíny: • pík • retenční čas (tR) • mrtvý čas (tm) • mrtvý objem kolony (Vm) • citlivost detekce • mez detekce • kvalitativní hodnocení • kvantitativní hodnocení

34. Elektromigrační metody • kapilární zónová elektroforéza • izotachoforéza • izoelektrocká fokusace • k separaci nabitých částí vzorku dochází vlivem elektrického pole • přístroj CZE

35. TLC – úloha v praktiku • TLC lipofilních barviv • adsorpční planární kapalinová chromatografie • mobilní fáze toluen (nepolární) • stacionární fáze destička se silikagelem (polární) • standardy barviv – porovnání Rf • neznámý vzorek – směs 2 barviv

36. Chromatografické metody B2 • TLC (chromatografie na tenké vrstvě) • vyznačit startovní linii – 3 cm od okraje a 1 cm ze strany (nerýt na desku) • vyrýt plochu separace • nanést roztoky • vložit do vyvíjecí komory s toluenem • určit Rf standardů a jednotlivých složek vzorku

37. Praktické zkoušení • dávkovač • automatická pipeta • byreta • doplňování odměrného válce