Základy analytické chemie
Prof. RNDr. Josef Komárek, DrSc.
1
Doporučená a použitá literatura • Opekar F., Jelínek I., Rychlovský P., Plzák Z.: Základní analytická 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. • Vondrák D., Vulterin: Analytická chemie 1985. • Pánek P., Doubek V.: Základy analytické chemie pro studenty ekologie 1994. • Skoog D.A.: Fundamentals of Analytical Chemistry 2001. • 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.
2
Analytická chemie – vědní obor • poskytuje informace o chemickém složení a povaze látek v prostoru a v čase • vyvíjí a aplikuje metody, postupy a zařízení pro zjišťování přítomnosti a množství látek • studuje zákonitosti chemických reakcí a fyzikálně- a biochemických interakcí, které lze využít • zabývá se metodami zpracování experimentálních analytických dat pro zvýšení jejich informační hodnoty chemická analýza – činnost, která vede ke zjištění přítomnosti a množství látek - soubor analytických postupů • sledování výrobních procesů, monitorovací a kontrolní analýza (kontrola čistoty vod, půd, ovzduší, potravin) • biochemické a klinické analýzy (diagnostika chorob, 3 analýza léčiv, drog)
Pojmy vzorek – část analyzovaného materiálu vybraná tak, aby reprezentovala materiál jako celek analyt – látka, kterou zjišťujeme • matrice vzorku – látky přítomné s analytem ve vzorku analýza kvalitativní – zjišťování přítomnosti látek • důkaz – proces ke zjištění přítomnosti analytu ve vzorku analýza anorganických látek- přítomnost iontů analýza organických látek – prvky a funkční skupiny • identifikace – zjištění přítomnosti molekul analýza kvantitativní- zjišťování množství látek • stanovení – proces ke zjištění obsahu analytu ve vzorku 4
Získávání analytických informací ∗ metody subjektivní • vlastní smyslové pozorování - barva, lesk, zápach, chuť, struktura - charakteristické vlastnosti • využití smyslů jiných organismů - pes - drogy - kanárek v kleci – CO - červi, bakterie – toxické látky ∗ metody objektivní • přístroje snímající a měřící určitou vlastnost (analytickou) analyzovaného systému, která se mění s přítomností a koncentrací analytu - metody instrumentální 5
Způsob získávání informací přímý způsob - bez externího působení na vzorek - málo informací • pozorování - barva, zápach • ponoření elektrod - pH, redoxní potenciál interakce vzorku a vnějšího působení přídavek chemického činidla průchod elektrického proudu ozáření vzorku určitým zářením zahřátí vzorku na vysokou teplotu • výsledek - odezva přítomnost - údaj kvalitativní velikost - údaj kvantitativní 6
Charakter interakce vzorek-externí působení • nevyvolá odezvu - negativní důkaz • neselektivní - odezva většiny látek ve vzorku - význam pouze při rozdělení jednotlivých látek separační metodou v předchozím kroku • selektivní - látky patřící do určité skupiny - většina interakcí • specifická - charakteristická pro určitou látku - umožňuje - téměř jednoznačně rozhodnout o přítomnosti nebo nepřítomnosti analytu ve vzorku - stanovení analytu - vázána na určité experimentální podmínky - volba reakčních podmínek (pH, teploty, potenciálu elektrody, vlnové délky záření) - maskování interferentů 7 - použití specifické reakce (např. enzymatické)
Enzymatické reakce enzymy katalyzují reakce substrátu S s analytem za vzniku produktu • glukóza + O2 (+ glukózoxidáza) – glukóza se stanovuje z množství spotřebovaného kyslíku • CO(NH2)2 + H2O (+ ureáza) → 2 NH3 + CO2 močovina se stanovuje z množství vzniklého NH3 nebo CO2
Imunochemické reakce analyt – cizorodá látka - antigen reaguje s činidlem – protilátkou (antibody) za vzniku komplexu a z jeho množství se antigen stanoví • pro stanovení hormonů, vitamínů, drog užití – v klinických, toxikologických a biochemických laboratořích k analýze biologických materiálů (krev) 8
Analytické metody podle velikosti vzorku metoda
hmotnost
objem vzorku
gramová makrocentigramová semimikromiligramová mikromikrogramová ultramikro-
> 100 mg 10-100 mg 1-10 mg < 1 mg
> 100 µl 50-100 µl < 50 µl
Podíl analytu v analyzovaném vzorku složka podíl analytu makro - hlavní 1-100 % - vedlejší 0,01-1 % mikro< 0,01 % stopová < 0,0001 % 9
Analytické metody • chemické - gravimetrická (vážková) analýza volumetrická analýza • fyzikální a fyzikálně chemické metody: optické analytické metody elektroanalytické metody termické analytické metody radiochemické metody • separační analytické metody: kapalinová extrakce iontová výměna chromatografické metody destilační analytické metody 10
Schéma obecného analytického postupu • odběr vzorku (vzorkování) a jeho úprava k analýze • převedení části vzorku do roztoku nebo stavu vhodného pro analýzu (zpracování vzorku) destruktivní a nedestruktivní analytické metody • důkaz nebo stanovení analytů, po jejich případné separaci • vyhodnocení získaných analytických dat
11
Postup při kvalitativní analýze anorganických látek • popis vzorku (množství, původ, skupenství, barva, homogenita) • orientační zkoušky • převedení vzorku do roztoku a rozdělení roztoku • skupinové reakce kationtů a selektivní reakce (A. Okáč) skupinová činidla – zda jsou nebo nejsou přítomny ionty určité skupiny - HCl, H2SO4, H2S, NH4HS, NaOH, NH3 • skupinové reakce aniontů a selektivní reakce • ověření výsledků 12
Provedení důkazových reakcí • v semimikrozkumavkách (1 ml) • v mikrozkumavkách (0,1 ml) • na kapkovací desce (0,03 ml) • na filtračním papíře (0,03 ml) • pod mikroskopem (0,01 ml)
13
Orientační zkoušky • zkoušky rozpustnosti – v H2O ve zředěné H2SO4 - vývoj plynu - CO32-, SO32-, NO2-, ClO-, S2• v plameni – na lopatičce (sublimace, vybuchuje, hoří) perličkové reakce (tetraboritan sodný, hydrogenfosforečnan) - na platinovém drátku (po ovlhčení HCl) zbarvení plamene
14
Emise v plameni ion
barva plamene
Li+
karmínově červená
Na+
intenzívně žlutá
K+
světle fialová
Ca2+
cihlově červená
Sr2+
karmínově červená
Ba2+
světle zelená 15
Skupinové reakce kationtů
16
Skupinové reakce kationtů
17
Systém dělení kationtů (II)
18
Oddělení iontů těžkých kovů • srážení s NH4HS (pro důkaz Mg 2+) příp. + (NH4)2CO3 (Mg2+,, Na+, K+, Li+) • s MgO suspenze MgO (povaření) → Mg(OH)2 Mg(OH)2 + M2+ → M(OH)2 + Mg2+ - pro důkaz aniontů • povaření s MgO - nepoužitelné pro důkaz PO43-, CO32-, AsO43• povaření s Na2CO3 + neutralizace 2 mol l-1 HNO3 MX2 + Na2CO3 → MCO3 + 2 NaX • pomocí měniče kationtů (katexu) 19
Důkaz aniontů I. nerozpustné Ba-soli (též Ag-soli) SO42-, SiF62-, IO3- F-, SO32-, CrO42nerozp.v HCl, v HAc nerozp. v HAc
PO43-, AsO43-, BO2-, SiO32-, CO32rozp. ve zř kys.
II. rozpustné Ba-soli + nerozpustné Ag-soli I-, HS-, [Fe(CN)6]4Br-, SCNCl-, [Fe(CN)6]3nerozp. v konc. NH3 nerozp. ve zř. NH3 rozp. ve zř. NH3 III. rozpustné Ba-soli + rozpustné Ag-soli (NO3-, NO2-, ClO3-, ClO4-, MnO4-) 20
Důkaz Na+ + octan uranylo-hořečnatý octan uranylo-zinečnatý světle žlutá krystalická sraženina NaMg(UO2)3 (CH3COO)9 .9H2O NaZn(UO2)3 (CH3COO)9 .9H2O charakteristické krystalky stěny z rovnostranných trojúhelníků, oktaedrické krystaly šesticípá hvězda ruší: nadbytek K+, Li+ PO43-, AsO43-, MoO42- – málo rozpustné soli UO22+ s Li+ - zelenavě žlutá sraženina v alkalickém prostředí se sráží činidlo – žlutá amorfní sraženina
21
Důkaz K+ • oranžově červená sraženina – sůl hexanitrodifenylaminu (dipikrylaminu) hexagonální krystalky
Důkaz Ca2+ • CaSO4 . 2H2O jednoklonná prismata šikmo ukončená vedle srostlic v silně kyselém prostředí vznik jehličkovitých krystalů v hvězdicích 22
Důkaz NH4+ • těkavé – odkouření NH4+ + OH- → NH3 + H2O ↓ pH papírek (navlhčený) Nesslerovo činidlo (alkalický roztok jodortuťnatanu) Hg(OH)2I22- + 2NH3 ↔ HgI2(NH2)22- + 2H2O
23
Důkaz Mg2+
• důkaz po odkouření NH4+ solí, oddělení iontů těžkých kovů • reakce s magnezonem v alkalickém prostředí – vysrážený Mg(OH)2 se vybarvuje barvivy – velmi charakteristicky magnezon (4-nitrobenzenazo-resorcin nebo 4-nitrobenzenazo-1naftol) – tvoří s Mg v alkalickém prostředí modrý chelát, který je stabilizován adsorpcí na Mg(OH)2 • reakce s thiazolovou (titanovou) žlutí červený komplex na sraženině Mg(OH)2
24
Důkaz Al3+ • oddělení pomocí NaOH – jako Al(OH)4• reakce s alizarinem S (1,2-dihydroxyantrachinon-3-sulfonan) červený lak – chelátu AlL, povrchově adsorbovaného na sraženinu Al(OH)3 v amoniakálním prostředí • reakce s kvercetinem (pentahydroxyflavon) zeleně fluoreskující chelát (při pH = 1-4)
25
