ANALYTICKÁ CHEMIE Ing. Alena Hejtmánková, CSc. Katedra chemie Agronomická fakulta ČZU Praha © Praha, 2003

PŘEDMĚT ANALYTICKÉ CHEMIE určování látkového složení soustav kvantitativní analýza množství, obsah kvalitativní analýza důkaz, identifikace k tomuto účelu slouží instrumentální metody = f (c) chemické metody založeny na chem. reakcích Analytická chemie.

Předmět určení analýzy = analyt Složky vzorku Obsah hlavní 1  100 % vedlejší 0,01  1 % stopové < 0,01 % Citlivost analýzy, mez stanovitelnosti, referenční materiály (RM) Metody stanovení nedestruktivní (NAA) destruktivní vybavení ekonomika účel (mez stanovitelnosti) Volba metody stanovení Analytická chemie.

VLASTNOSTI ANALYTICKÉ METODY dc CM = Citlivost metody (CM) c  d dc CM = málo citlivá metoda dostatečně citlivá metoda Spolehlivá metoda přesná () správná Kontrola správnosti metody  referenční materiály (RM) Analytická chemie.

ROZSAH ANALYTICKÝCH METOD Gravimetrie Polarografie Spektroskopie (emisní a absorpční) Atomová absorpční spektroskopie Hmotnostní spektrometrie Neutronová aktivační analýza 102 10-2 100 10-4 10-8 10-6 10-10 10-12 Obsah složky [%] Analytická chemie.

ANALYTICKO-VZORKOVACÍ SYSTÉM Odběr vzorku 1. 2. 3. 4. Vyhodnocení dat Úprava vzorku Měření − analýza vzorkování analytická metoda Analytická chemie.

ODBĚR VZORKU Reprezentativní vzorek čím větší je heterogenita vzorku, tím je hmotnost vzorku větší po homogenizaci se bere k vlastní analýze alikvotní část neexistuje jednotný postup ČSN normy, ISO normy (EU) vzorkování, nádoby, konzervace Vzorkování podle skupenského stavu 1. tuhé látky (0,1 až 250 kg) z různých míst (pole) z různých hloubek (hnojivo na skládce) 2. kapalné látky z různých hloubek pravidelně v čase (řeka, potrubí) 3. plynné látky plynová pipeta (myš) před odběrem evakuována Analytická chemie.

KONZERVACE VZORKU Konzervace odebraného vzorku sušení mrazení přidání konzervačních činidel Konzervační činidla nesmí rušit vlastní stanovení ! Analytická chemie.

PŘÍPRAVA VZORKU K ANALÝZE Mechanická úprava hrubé drcení kvartace jemná homogenizace (mlýnky, mixery, achátové misky, kapalný N2) Chemická úprava převedení do roztoku za studena za tepla rozpouštění v H2O Analytická chemie.

PŘÍPRAVA VZORKU K ANALÝZE oxidující − H2SO4, HNO3 3 Cu + 8 HNO3 3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O neoxidující − HCl CaCO3 + 2 HCl CaCl2 + H2O + CO2 rozpouštění v kyselinách rozpouštění v hydroxidech (lehké slitiny) Al + 6 NaOH 2 Na3AlO3 + H2 rozklad tavením − drastický rozklad tavidla − Na2CO3, K2CO3, K2S2O7 oxidovadla − KNO3, KClO3, Mg(NO3)2 zvýšená teplota Pt (Ni) kelímky ! Analytická chemie.

ROZKLAD ORGANICKÝCH LÁTEK (pro anorganickou analýzu) Mineralizace na mokré cestě H2SO4, HNO3, HClO4 ! H2O2, KOH, NaOH zvýšení účinnosti -> autokláv na suché cestě horké desky, muflová pec spálení (+ tavidla) popel rozpuštění v 1,5% HNO3 podpořeno ultrazvukem kombinace mokré a suché cesty moderní techniky − APION (katalyticky) NH3, O2 NOx + O3 + H2O Analytická chemie.

CHYBY CHEMICKÝCH ROZBORŮ skutečnost se liší od výsledku analýzy => chyba analýzy správný přesný () Spolehlivý výsledek - + náhodná chyba soustavná chyba hrubé chyby soustavné chyby náhodné chyby Druhy chyb Absolutní chyba Relativní chyba e - ξ x i = d - ξ x d i = xi = nalezená hodnota  = skutečná hodnota Analytická chemie.

CHYBY CHEMICKÝCH ROZBORŮ  = skutečná hodnota je většinou neznámá, nahrazuje se střední hodnotou (zpravidla průměr) provádí se série analýz => rozložení výsledků přesné, ale nesprávné ξ x správné a přesné nepřesné odlehlý výsledek Analytická chemie.

GAUSSOVA KŘIVKA å å m s1 s2 s1 < s2 n x = 1 n x) (x s - = normální rozdělení dat m = střední hodnota m s1 s2 s1 < s2 s = rozptyl v praxi jsou tyto parametry nahrazeny odhady aritmetický průměr m å n x i = směrodatná odchylka  s 1 n x) (x s 2 i - = å Analytická chemie.

ODHAD PARAMETRŮ L =  ± Kn R s = kn . R Odhad směrodatné odchylky s z rozpětí R naměřených dat postup vhodný pro n < 10 R = xmax – xmin kn = koeficient (tabulky) s = kn . R Interval spolehlivosti − L odhad rozmezí, ve kterém leží s určitou pravděpodobností (95 %, 99 %) skutečná hodnota L =  ± Kn R Analytická chemie.

STANOVENÍ ZINKU V MLÉCE METODOU AAS Pořadí Výsledky [mg/kg] Uspořádání Typ 1. 4,41 2,11 odlehlá 2. 4,35 4,29 3. 4,51 4. 5. 6. 4,39 7. 4,46 8. 4,44 9. 10. Analytická chemie.

VÝPOČET PARAMETRŮ /1 Střední hodnota medián = 4,39 mg/kg průměr = 4,17 mg/kg modus = 4,35 mg/kg 4,20 4,30 4,40 n = 10 (s odlehlou hodnotou) medián = 4,39 mg/kg modus = 4,35 mg/kg 4,30 4,35 4,40 n = 9 (bez odlehlé hodnoty) průměr = 4,39 mg/kg medián = prostřední hodnota modus = hodnota s největší četností robustní (odlehlé hodnoty nemají vliv) Analytická chemie.

Intervaly spolehlivosti VÝPOČET PARAMETRŮ /2 Rozptyl rozpětí R = 0,22 mg/kg s = 0,074 mg/kg (výpočet Dean-Dixon)  = 4,39 mg/kg s = 0,068 mg/kg (výpočet ze vzorce) Intervaly spolehlivosti  = 4,39 mg/kg L95 = 4,390 ± 0,057 mg/kg (95 %) L99 = 4,390 ± 0,081 mg/kg (99 %) L95 L99 Analytická chemie.

CHEMICKÉ METODY aA + bB AaBb analyt činidlo produkt odměrná analýza (volumetrie) vážková analýza (gravimetrie) analyt v koncentraci složky hlavní a vedlejší > 0,01 % Analytická chemie.

GRAVIMETRIE KS = [A+] [B-] stanovení hmotnosti produktu  látka velmi málo rozpustná součin rozpustnosti R T nasycený roztok látky AB (AB)T (AB)R A+ + B- rovnovážná konstanta K (AB)T je v nadbytku => zahrnuta do K KS = [A+] [B-] Analytická chemie.

GRAVIMETRIE Součin rozpustnosti KS míra rozpustnosti (vyšší KS znamená rozpustnější látku) Látka Součin rozpustnosti Hodnota AgCl [Ag+] [Cl-] 1,8 . 10-10 Fe(OH)3 [Fe3+] [OH-]3 1,0 . 10-36 Hg2SO4 [Hg+]2 [SO42-] 6,2 . 10-7 Každá látka je částečně rozpustná Analytická chemie.

OVLIVNĚNÍ ROZPUSTNOSTI přidává se činidlo, které má společný ion se sraženinou pro AgCl je KS = 1,8 . 10-10 + NaCl [Ag+] = [Cl-] = 1,34 . 10-5 [Cl-] = 10-2 => [Ag+] = 10-8 přídavek NaCl vyvolá vznik další sraženiny Analytická chemie.

PRINCIP GRAVIMETRIE BaSO SO Ba AgCl Cl Ag + O Fe Fe(OH) vznik přesně definované sloučeniny a) vzniká přímo srážením 4 2 BaSO SO Ba - + AgCl Cl Ag + - b) po vyloučení sraženiny se tato převede na formu k vážení 3 2 O Fe Fe(OH) + c) výjimečně vyloučení stanovovaného prvku v elementární formě Analytická chemie.

PRACOVNÍ POSTUP PŘI STANOVENÍ navážka 0,1 až 0,5 g na analytických vahách s přesností na 0,0001 g 2) převedení do roztoku celý roztok (50 ml) alikvotní podíl (10 ml) ! pozor ! hmotnost analytu x 5 3) srážení vždy mírným přebytkem činidla (5 - 10 %) Analytická chemie.

SRÁŽENÍ BaSO + Cl Ba SO Na PbCO CO Pb 1) roztoky elektrolytů činidlo 4 BaSO + 2 Cl Ba - SO Na činidlo 2) plyny (např. CO2) 3 2 PbCO CO Pb - + 3) roztoky vysokomolekulárních organických látek Al(OH)3 taninem Analytická chemie.

OVLIVNĚNÍ SRÁŽENÍ Al Al(OH) AlO 1) teplotou při vyšší teplotě se dosáhne lepších podmínek pro vznik krystalických sraženin 2) pH reakční směsi pH < 7,2 - 3 AlO Al(OH) + Al pH > 7,6 7,6 7,2 pH lze využít k zamezení spolusrážení cizího iontu Analytická chemie.

VHODNÁ FORMA SRAŽENINY dobře filtrovatelné krystalické sraženiny, srážení za horka zředěné roztoky analytu a činidla pomalé přidávání srážecího činidla míchání, delší zahřívání, delší stání prochází filtrem velká povrchová adsorpce přídavek elektrolytu nevhodné koloidní sraženiny hrubá disperze Amorfní sraženiny srážením OH- a S2- zahřátí vede ke krystalizaci Podpora srážení nadbytek srážedla (5 – 10 %) volba činidla (Ks < 0,0005 g ve 250 ml) Analytická chemie.

PRÁCE SE SRAŽENINAMI Čistota sraženin jevy mřížkové – nelze odstranit (CaCO3 x MgCO3) adsorpce (na povrchu) okluze (uvnitř) lze odstranit promýváním promývání na filtru dekantace (slití) pozor !! sraženina se nesmí rozpustit Promývání sraženin H2O (pokud je sraženina ve vodě nerozpustná) zředěným roztokem srážedla roztokem vhodného elektrolytu nasyceným roztokem promývané sloučeniny (matečným louhem) směsí vody a organického rozpouštědla !!! čistotu sraženiny lze ovlivnit volbou pH a maskováním nečistot Analytická chemie.

FILTRACE SRAŽENINY Filtrace nutnost kvantitativního zachycení sraženiny dostatečná rychlost Volba filtrace podle nadcházejícího kroku ŽÍHÁNÍ (až 1200 °C) SUŠENÍ (105 °C) filtrační papír (bezpopelový) skleněné frity (S1 – S4) 110 μm – 3,5 μm černá páska 3,7 μm bílá (žlutá) páska 3,4 μm porcelánové kelímky s porézním dnem (G1 – G4) modrá páska 3,1 μm keramické filtrační kelímky žíhání i sušení do konstantní hmotnosti (kontrola vážením) Analytická chemie.

ZDROJE CHYB V GRAVIMETRII sušení lze použít tehdy, je-li forma ke srážení totožná s formou k vážení jinak se musí vzorek žíhat Zdroje chyb vlastnosti analytu chyby při navažování čistota sraženiny chyby při výpočtu Analytická chemie.

VÝPOČET VÝSLEDKU ANALÝZY a (g) navážka vzorku b (g) hmotnost sraženiny (formy k vážení) 3 4 2 O Fe Fe(OH) OH) (NH žíhání Fe2O3 b (g) Fe2O3 ……………. 2 Fe x (g) Fe (g) b O Fe 2 x 3 = a (g) 100 % ……………. x (g) Fe ?? (%) Fe % Fe ve vzorku = a b f 100 · gravimetrický přepočítavací faktor (tabulky, f = 0,6994) Analytická chemie.

VYBRANÁ GRAVIMETRICKÁ STANOVENÍ Analyt Činidlo Sušení/žíhání Forma k vážení Ag+ HCl sušení AgCl Cl- AgNO3 Ba2+ Na2SO4 žíhání BaSO4 Pb2+ H2SO4 PbSO4 P NH4OH, Mg(NO3)2 Mg2P2O7 Fe3+ NH4OH Fe2O3 SO42- BaCl2 Hg2+ H2S HgS Ca2+ šťavelan amonný CaO Analytická chemie.

APLIKACE GRAVIMETRIE Ztráta žíháním hodnocení stavebních směsí množství organických látek v půdě parametr stanovení kvality vody Popeloviny hodnocení dřevní hmoty Sušina parametr biologického materiálu Analýza živin v hnojivech draslík (KClO4), fosfor (Mg2P2O7) Analýza biologického materiálu Analytická chemie.

CHEMICKÉ METODY aA + bB AaBb analyt činidlo produkt odměrná analýza (volumetrie) vážková analýza (gravimetrie) analyt v koncentraci složky hlavní a vedlejší > 0,01 % Analytická chemie.

ODMĚRNÁ ANALÝZA (VOLUMETRIE) 1 2 1. odměrné činidlo B (byreta) 2. roztok analytu A + indikátor (titrační baňka) bod ekvivalence (všechen analyt právě zreagoval), určení pomocí indikátoru standardizace odměrného činidla přesné určení jeho molární koncentrace pomocí primárního (sekundárního) standardu n a a a B A V c b n = Analytická chemie.

PŘÍKLAD Z ODMĚRNÉ ANALÝZY H2SO4 NaOH Příklad: Kolik gramů NaOH je ve vzorku, je-li při titraci spotřeba 0,1 M H2SO4 12 ml? O H 2 SO Na NaOH 4 + 4 2 SO H NaOH n 1 = Þ nNaOH = 2 x 0,1 x 0,012 = 0,0024 (molu) mNaOH = 0,0024 x 40 = 0,096 (g) Obecně: Analytická chemie.

PŘÍKLAD Z ODMĚRNÉ ANALÝZY Obdobně: Analytická chemie.

ZÁKLADNÍ POJMY ODMĚRNÉ ANALÝZY odměrný roztok (titr) základní látka (primární standard) standardizace odměrných roztoků bod ekvivalence indikace bodu ekvivalence subjektivní (barva, sraženina) objektivní (prudká změna fyzikální veličiny) Analytická chemie.

OBECNÝ POSTUP PŘI ODMĚRNÉ ANALÝZE Zásady pro odměrnou analýzu !! přesné odměřování objemů V = f(T) (20 °C) !! používání odměrných nádob odměrné baňky pipety nedělené dělené byrety !! Přesná titrace = přesné určení bodu ekvivalence Využitelné reakce pro odměrnou analýzu dostatečně rychlé probíhající kvantitativně bez bočních reakcí umožňující určení bodu ekvivalence B A C Analytická chemie.

ODMĚRNÉ NÁDOBY Analytická chemie.

ROZDĚLENÍ METOD ODMĚRNÉ ANALÝZY B1 v nadbytku B2 podle způsobu titrace přímé zpětné (retitrace) nepřímé stanovení jiné látky, která je s analytem ve známém poměru vytěsňovací  využití u chelatometrie podle typu reakce neutralizační (H+ + OH- = H2O) srážecí (vznik sraženiny) komplexotvorné (vznik chelátů) oxidačně-redukční (přenos elektronů) Analytická chemie.

METODY ODMĚRNÉ ANALÝZY zařazení metody popis metody odměrný roztok standardizace odměrného roztoku, základní látky určení bodu ekvivalence, indikátory princip stanovení reakce analytu s odměrným roztokem jaké látky lze stanovit příklad stanovení a výpočet Analytická chemie.

ACIDOBAZICKÉ (NEUTRALIZAČNÍ) TITRACE H OH 2 - + Princip: neutralizace acidimetrie stanovují se látky bázické povahy odměrný roztok je kyselina alkalimetrie stanovují se látky kyselé povahy odměrný roztok je hydroxid H + nutná standardizace odměrných roztoků ! OH - Acidimetrie Alkalimetrie Odměrný roztok HCl, H2SO4, HClO4 KOH, NaOH Základní látky Na2CO3, KHCO3 (COOH)2 . 2 H2O, C6H5COOH Analytická chemie.

ACIDOBAZICKÉ INDIKÁTORY Princip: při změně pH mění barvu slabé organické kyseliny a zásady HInd Ind - H + mění se barva forem HInd a Ind- platí indikátorový exponent - Ind + H HInd během titrace roztok žloutne HInd = metylčerveň Analytická chemie.

ACIDOBAZICKÉ INDIKÁTORY Barevný přechod indikátoru  poměr 1:10 vnímá oko jako změnu barvy Funkční oblast indikátoru Indikátor pH Metyloranž (MO) 3,1  4,4 Metylčerveň (MČ) 4,4  6,2 Bromtymolová modř (BM) 6,0  8,2 Fenolftalein (FF) 8,2  10,0 H + OH - Analytická chemie.

BAREVNÉ PŘECHODY INDIKÁTORŮ Analytická chemie.

TITRAČNÍ KŘIVKY A VOLBA INDIKÁTORU Změna pH v titrační baňce v průběhu titrace pH v bodě ekvivalence určuje sůl (někdy dochází k hydrolýze soli) ) f(V c odměrného činidla A = titrační křivka ) f(V pH odměrného činidla = Analytická chemie.

silná kyselina + silná zásada (pT = 7) TITRAČNÍ KŘIVKY pH 3,5 10,5 7,0 0,0 bod ekvivalence H + [ml] V 0,1 M NaOH 0,001 M NaOH FF MČ MO 14,0 OH  0,1 M HCl 0,001 M HCl silná kyselina + silná zásada (pT = 7) Analytická chemie.

slabá kyselina + silná zásada (pT > 7) TITRAČNÍ KŘIVKY slabá kyselina + silná zásada (pT > 7) pH 4 12 8 bod ekvivalence OH  [ml] V FF NaOH 2 CO H 3 + O H 2 CO Na 3 + - 2 3 CO Na + - + OH HCO O H CO 3 2 Analytická chemie.

slabá zásada + silná kyselina (pT < 7) TITRAČNÍ KŘIVKY slabá zásada + silná kyselina (pT < 7) pH 4 12 8 bod ekvivalence H + [ml] V MO MČ SO H Mg(OH) 4 2 + O H 2 MgSO 4 + - 2 4 SO Mg MgSO + + O H MgOH 2 Mg 3 Analytická chemie.

slabá zásada + slabá kyselina TITRAČNÍ KŘIVKY slabá zásada + slabá kyselina pH 4 12 8 bod ekvivalence H + [ml] V určení bodu ekvivalence je velmi nepřesné Analytická chemie.

titrace vícesytné kyseliny silným hydroxidem TITRAČNÍ KŘIVKY titrace vícesytné kyseliny silným hydroxidem pH 4 12 8 BE1  MO OH - [ml] V BE2  FF 0,1 M H3PO4 NaH2PO4 Na2HPO4 Analytická chemie.

TITRAČNÍ KŘIVKY A BAREVNÉ PŘECHODY INDIKÁTORŮ Analytická chemie.

PŘÍKLAD NEUTRALIZAČNÍ TITRACE HCl v nadbytku c =0,1M , V=50 ml B Titrace NaOH ? % CaCO3 (MCaCO3 = 100 gmol-1) Navážka vzorku 0,5000 g + HCl Provedení: zpětná titrace odměrný roztok NaOH c = 0,1 M; V = 18,2 ml Reakce v titrační baňce (A) 3 2 CO H CaCl HCl CaCO + Zpětná titrace NaOH (B) O H NaCl HCl NaOH 2 + Platí: Analytická chemie.

PŘÍKLAD NEUTRALIZAČNÍ TITRACE HCl v nadbytku c =0,1M , V=50 ml B Titrace NaOH ? % CaCO3 (MCaCO3 = 100 gmol-1) Navážka vzorku 0,5000 g + HCl Provedení: zpětná titrace odměrný roztok NaOH c = 0,1 M; V = 18,2 ml nHCl = 0,05 . 0,01 – 0,0182 . 0,1 = 0,00318 (mol) nCaCO3 = 1/2 . 0,00318 = 0,00159 (g) mCaCO3 = 0,00159 . 100 = 0,159 (g) 0,5 g vzorku 0,159 g CaCO3 ……………………………. 100 % x % x = 31,8 % Analytická chemie.

STANOVENÍ DUSÍKU V AMONNÝCH SOLÍCH DESTILAČNÍ METODOU 50 ml 0,1M H2SO4 B Titrace NaOH (NH4)2SO4 (15%) NaOH Cl NH 4 + O H NH NaCl 2 3 + 4 2 3 SO ) NH H ( + Retitrace nezreagované H2SO4 O H 2 SO Na NaOH 4 + Analytická chemie.

navážka vzorku 0,5002 g  250 ml  50 ml Provedení: zpětná titrace odměrný roztok 0,2 M NaOH, V = 28,4 ml v předloze 50 ml 0,1 M H2SO4 A 50 ml 0,1M H2SO4 B titrace NaOH (NH4)2SO4 nH2SO4 = 1/2 . 0,0284 . 0,2 = 0,00284 (mol) nezreagované kyseliny nH2SO4 = 0,05 . 0,1 – 0,00284 = 0,00216 (mol) zreagované kyseliny nNH3 = 2 . 0,00216 = 0,00432 (mol) mN = 0,00432 . 14,008 = 0,0605 (g) v 50 ml 0,5002 g vzorku 5 . 0,0605 g N ……………………………. 100 % x % x = 60,5 % Analytická chemie.

STANOVENÍ RŮZNÝCH FOREM DUSÍKU nereaktivní (stanovení objemu) redukce na amoniakální formu (aminokyseliny, aminocukry, aminy) mineralizace podle Kjeldahla nelze stanovit azodusík, nitro-, diazo-, hydrazo- a nitrososkupinu Analytická chemie.

[ ] [ ] ( ) ( ) METODY REDUKCE O H 3 Fe 4 NH 10 NO + + OH Al 8 NH O H podle Ulsche (v kyselém prostředí) pouze dusičnany (dusičnanový dusík) O H 3 Fe 4 NH 10 NO 2 - + dusitany nelze, část dusíku unikne jako NO podle Devardy (v zásaditém prostředí) Devardova slitina (Al, Cu, Zn) ( ) [ ] - + 4 3 2 OH Al 8 NH O H 18 5 NO ( ) [ ] - + 2 4 3 OH Zn NH O H 5 NO podle Arnda (v neutrálním prostředí v přítomnosti MgCl2, katalýza Cu, Mg) Analytická chemie.

METODY REDUKCE kjeldahlizace (aminokyseliny, aminocukry, aminy) mineralizace podle Kjeldahla mineralizace vzorku H2SO4 K2SO4 (zvyšuje bod varu H2SO4) katalyzátor (Se, Cu, Hg) další využití neutralizačních titrací organické kyseliny v siláži, potřeby vápnění, titrační kyselost mléka, rozbory vody ZNK, KNK, stanovení tuků aj. Analytická chemie.