Komplexotvorné reakce • komplexy vznikají koordinační vazbou mezi centrálními ionty a ligandy • ligandy – anionty nebo neutrální molekuly - donory elektronového páru • centrální ionty – akceptory elektronového páru • počet monodonorových ligandů udává koordinační číslo (2, 4 a 6) • polydonorové ligandy mohou tvořit cheláty neboli cyklické komplexy
komplexní kation s pětičlennými cykly
• komplexní ionty tvořící chelátový kruh jsou většinou stabilnější než ionty s monodonorovými ligandy – chelátový efekt 1
Komplexotvorné reakce • • • •
komplexní sloučeniny s elektrickým nábojem - rozpustné ve vodě nenabité komplexy - ve vodě nerozpustné při vzniku komplexů - rovnováha kation + ligand = komplex M + nL = MLn β = [MLn]/([M].[L]n) konstanta stability β • postupná koordinace ligandu M + L = ML K1 = [ML]/([M].[L]) ML + L = ML2 K2 = [ML2]/([ML].[L]) Kn = [MLn]/([MLn-1].[L]) MLn-1 + L = MLn rovnovážné konstanty K1,K2, Kn - dílčí konstanty stability • β = K1 . K2 . .. Kn celková konstanta stability • podle β: stabilní a nestabilní komplexy 2
Konstanty stability
3
Využití • selektivnější důkaz • snadnější oddělení iontu • srážedlo pro řadu iontů při nerozpustnosti komplexu ve vodě – vážková analýza • při rozpouštění prakticky nerozpustných látek • barevné komplexy – důkaz - fotometrické stanovení • stálé rozpustné komplexy – v odměrné analýze • při maskování (stínění) iontů v roztoku Fe3+ + NH4F, šťavelan, H3PO4 [FeF6]3-, [Fe(C2O4)3]3-, [Fe(PO4)2]3Pb2+, Cu2+, Sn2+, SnIV, SbIII, SbV, Fe3+, Cr3+, Al3+ + kyselina citronová nebo vinná – komplexy stálé v alkalickém prostředí, takže NH4OH ani NaOH nesráží jejich hydroxidy 4
Reakce s dimethylglyoximem (diacetyldioximem) dioximy alifatických 1,2 diketonů (LH2)
chelát: čtvercově planární struktura 2 x pětičlenný stabilní chelátový cykl 2 x šestičlenný chelátový cykl intramolekulární vodíkové vazby (přídavná stabilizace)
5
Prostorové rozložení Ni- a Cu-chelátů dimethylglyoximu
Ni(LH)2 – málo rozpustný ve vodě – v pevném stavu planární molekuly na sobě vrstevnatě naskládány a mezi nimi d-d vazba mezi atomy -Ni-Ni-, tato vazba snižuje rozpustnost ve vodě a posouvá absorpční maximum chelátu v pevném stavu k delším λ (červená sraženina) Cu(LH)2 – rozpustný – chelátové cykly nejsou koplanární jako u Ni(LH)2 - molekuly 6 jsou párovány – Cu se váže přes kyslík – konfigurace tetragonálně pyramidální
Stabilita chelátů s dimethylglyoximem • Pd(LH)2 log β2 = 34,1 stabilní, vznik v 0,1 mol l-1 HCl • Ni(LH)2 log β2 = 21,8 méně stabilní, vznik v alkalickém prostředí • stabilita Pd(LH)2> Cu(LH)2 > Ni(LH)2 > Co(LH)2
Důkaz Co2+ a Fe3+ s SCN• pH 2 – 5 • FeNCS2+ (log β1 = 2,1), Fe(NCS)2+ (log β2 = 4,3), Fe(NCS)3 (log β3 = 5,6) • CoNCS+ (log β1 = 1,0), Co(NCS)2 (log β2 = 4,3), Co(NCS)42- (log β4 = 3) • + FFe(NCS)2+ + F- = FeF2+ + NCSbezbarvý (log β = 6,8)
Co2+ + F- netvoří stabilní komplex (log β1 = 0,7)
7
Důkaz NO3• oxidací difenylaminu
(v konc. H2SO4)
difenylaminová modř
semichinon biradikál modrý tripletový stav
singletový stav oranžově hnědý
8
Důkaz Cl• po oxidaci na Cl2 (KMnO4, H2SO4) Denigesovým činidlem (fenol + anilin) Cl2 + 2OH- → ClO- + Cl- + H2O
Důkaz PO43• reakcí s molybdenanem – žlutá sraženina vznik (NH4)3P(Mo3O10)4, (NH4)2HP(Mo3O10)4 9
Analýza organických sloučenin • propojena prakticky se všemi biologickými obory (genetika, fyziologie, ekologie, mikrobiologie, biochemie) • využívá se při studiu životního prostředí - složení a znečistění půdy, vody, ovzduší • zabývá se stanovením barviv, pesticidů, léčiv, potravinářských aditiv, vitaminů, analýzou biologických materiálů • důkaz a identifikace čisté látky nebo určení složení směsi • často nalezení strukturního vzorce příslušného chemického individua
10
Schematický postup při identifikaci organických látek
11
Schematický postup při identifikaci organických látek
12
Vybrané chemické reakce využívané v organické analýze • reakce s KMnO4 - štěpení násobných vazeb (vznikají –COOH deriváty) - oxidace -OH, -CHO, -SH, -NH2 • Fehlingova reakce - reakce s CuSO4 a vinanem sodno-draselným v prostředí KOH - důkaz redukujících sloučenin, zejména sacharidů - vznik červenohnědé sraženiny Cu2O • reakce s Tollensovým činidlem - s amoniakálním roztokem Ag+ - aromatické i alifatické aldehydy vyredukují elementární Ag • reakce s kyselinou dusitou - reakce diazotační a kopulační slouží k důkazu a určení aminů 13
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 14
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 kvartací nebo použitím mechanických děliček až na vzorek o hmotnosti několika gramů a hrubosti prachu pro analytické operace 15
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
16
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 PVC sáčky, PVC prachovnice 17
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
18
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) 19
Rozpouštění, rozklad a mineralizace vzorků • látky rozpustné ve vodě se rozpouštějí ve vodě za chladu nebo za zvýšené teploty • látky ve vodě částečně rozpustné se převádějí do roztoku přídavkem zředěné kyseliny nebo hydroxidu • materiál ve vodě nerozpustný se 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 20
Rozklad zředěnou kyselinou • obvykle HCl a HNO3 • HCl, když rozklad nevyžaduje oxidovadlo • HNO3, když je potřeba oxidace
Rozklad koncentrovanou kyselinou • nejčastěji HCl, HNO3, H2SO4, HClO4, HF • HNO3 - oxidační vlastnosti kyseliny • směs HCl a HNO3 - lučavka královská (Au, Pd, Pt) 3 HCl + HNO3 → Cl2 + NOCl + 2 H2O 2 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 maximální opatrnost • kyselina fluorovodíková - k rozkladu křemičitanů za tepla, vzniká 21 plynný SiF4 - mnohdy kombinace s jinými kyselinami (HClO4)
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 22
Tlakové rozklady • za zvýšené teploty v autoklávech • k rozkladu slouží kyselina, často HCl či HF, případně ve směsi s HNO3 nebo H2SO4 • pro biologické materiály oxidující minerální 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
23
Rozklad biologických vzorků s HNO3 v otevřené nádobě vzorek škrob celulóza cukr mouka pšeničná řasy špenát jehličí borovice listí plnotučné mléko hovězí játra hovězí maso krev vepřová olej slunečnicový
obsah C v % zbytek C v % 41 2-11 43 2-12 42 2-10 45 4-6 35 14-16 38 16-17 51 10-21 44 17-23 52 26-29 51 25-30 50 24-32 52 19-22 74-78 43-46 24
Tlakový rozklad biologických vzorků - důležitý obsah uhlíku v materiálu - na 100 mg C - 2 ml HNO3 (65%) - 170-180 oC 3 hod rozklad - navážka se volí podle tlaku (CO2, NO2, páry HNO3, H2O) zbytkový uhlík ≤ 0,04%
25
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 26
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)
27
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) • v přítomnosti silných minerálních kyselin a oxidačních činidel (HNO3, HCl, HF, H2O2) • rozkladný program je vhodné rozdělit do několika fází • postupné zvyšování intenzity mikrovlnného záření k zabránění bouřlivého průběhu reakce • produktem mineralizace je čirý, homogenní roztok 28
Uzavřený systém
29
30
31
Mokrý rozklad nízkoteplotní * UV-fotolytická mineralizace vzorků • UV záření + H2O2 působením 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 horní části nádobek - teplota ovlivněna průtokovou rychlostí chladící vody a objemem vzorku 32
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 oxidačního činidlaMg(NO3)2 • nízkoteplotní - radiofrekvenční plazma - rozklad pod vlivem vysokofrekvenčního magnetického pole v kyslíkovém plazmatu za nízkého tlaku a nízké teploty (150 oC) - studené plazma 33
Muflová pec
34
35
Izolace organických látek ze vzorku • záleží na jejich bodu varu a polaritě • metody: extrakce rozpouštědlem superkritická fluidní extrakce (SPE) 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 AI-fólie • urychlení: ultrazvuková lázeň za varu pod zpětným chladičem -Soxhletův extraktor – vzorek v extrakční patroně z papíroviny nebo ve "skleněné svíčce s fritou"
36
SPE: 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-ochlazování rozpouštědla
37
Head-space • dosažení rovnováhy mezi vzorkem a 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 tetramethylamonium hydroxidem loužení směsí NaOH (nebo HCl)-methanol
38
