Skriptum - Cvičení z aplikované analytické chemie

Transkript

Olomouc 2012
Pavlína GINTEROVÁ
Zdenka BARTOŠOVÁ
Vítězslav MAIER
Petr BEDNÁŘ
VÝUKOVÁ SKRIPTA
CVIČENÍ Z APLIKOVANÉ ANALYTICKÉ
CHEMIE
Předmluva
Předkládaný výukový materiál je určen především studentům navštěvujícím předmět
ACH/APCHC Cvičení z aplikované analytické chemie, který je vyučován na Katedře
analytické chemie, Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci.
Výukový materiál obsahuje celkem 11 návodů k laboratorním úlohám týkajících se analýzy
reálných vzorků pocházejících z různých oblastí, kterými jsou například potravinářství,
metalurgie a životní prostředí.
Každý návod obsahuje teoretickou část sloužící k základnímu pochopení problematiky a část
praktickou, která je potřebná pro samotné vykonání úkolu, spolu s otázkami sloužícími
k prozkoušení studentů před laboratorním cvičením a doporučenou literaturu.
Výukový materiál vznikl za finanční podpory Fondu rozvoje vysokých škol v rámci řešení
projektu č. 2118/2012 „Tvorba výukových skript sloužících k inovaci předmětu Cvičení
z aplikované analytické chemie“.
OBSAH
STANOVENÍ KONZERVAČNÍCH LÁTEK V NÁPOJÍCH POMOCÍ KAPALINOVÉ CHROMATOGRAFIE ................... 3
STANOVENÍ KONZERVAČNÍCH LÁTEK POMOCÍ KAPILÁRNÍ ELEKTROFORÉZY ................................................. 6
IDENTIFIKACE NEZNÁMÉHO POLYMERU........................................................................................................... 10
ZÁKLADNÍ ROZBOR VÁPENCE ............................................................................................................................ 18
URČENÍ ZÁKLADNÍCH PARAMETRŮ PŮDY ........................................................................................................ 25
STANOVENÍ MĚDI A NIKLU V OCELI ................................................................................................................... 39
STANOVENÍ KADMIA V MÁKU ............................................................................................................................ 42
FOTOMETRICKÉ STANOVENÍ MANGANU V NEŽELEZNÉ SLITINĚ ..................................................................... 44
STANOVENÍ TRIAZINOVÝCH PESTICIDŮ V PŮDĚ POMOCÍ PLYNOVÉ CHROMATOGRAFIE............................. 47
ANALÝZA MASTNÝCH KYSELIN V PŘÍRODNÍCH TUCÍCH ................................................................................. 51
STANOVENÍ LAKTALBUMINU V MLÉCE POMOCÍ GELOVÉ ELEKTROFORÉZY .................................................. 55
Stanovení konzervačních látek v nápojích pomocí kapalinové chromatografie
Teoretická část
Konzervační látky jsou významnými potravinovými aditivy, jejichž úkolem je prodloužit trvanlivost
potravin tím, že je chrání před znehodnocením bakteriálního a plísňového původu. Používání příliš
vysokého množství aditiv s sebou nese jistá rizika: u některých citlivých jedinců se mohou projevit
nepříznivé vedlejší účinky, např. alergie nebo dermatitidy. Proto je třeba kontrolovat, zda jejich obsah
nepřesahuje nejvyšší povolené množství (NPM), které je u většiny přídatných látek dáno legislativou.
Pro některé přídatné látky není konkrétní hodnota NPM stanovena, v takových případech se při
výrobě potravin použití aditiv omezuje na nezbytně nutné množství.
Mezi běžně používané konzervanty patří kyselina benzoová a sorbová, popř. jejich soli. Kyselina
benzoová (E210) a některé benzoáty se používají jako antimykotické činidlo. Aktivní formou je
nedisociovaná kyselina, která je přibližně stokrát účinnějsí než anion. Většina kvasinek a plísní je
inhibována nedisociovanou kyselinou o koncentraci 500 – 1000 mg/kg . Kyselina sorbová (E200) a její
soli (E201-203) jsou účinnými inhibitory řady plísní, kvasinek a některých bakterií. Aktivní formou je
nedisociovaná kyselina, která je zhruba 10 – 600 krát účinnější než anion. Používá se podle druhu
potraviny v množství 200 – 2000 mg/kg.
NPM kyseliny benzoové pro ochucené nealkoholické nápoje a nápojové koncentráty pro přípravu
těchto nápojů (po naředění podle návodu výrobce) je 150 mg/l, NPM kyseliny sorbové je 300 mg/l.
Používá-li výrobce ke konzervaci kombinaci obou kyselin, pak NPM pro kyselinu benzoovou je
150 mg/l a pro kyselinu sorbovou 250 mg/l.
Vysokoúčinná kapalinová chromatografie (HPLC) se stala pro tato stanovení rutinní analytickou
metodou. HPLC je separační analytická metoda, využívající rozdílné distribuce složek analytu mezi
stacionární a mobilní fázi (v HPLC je mobilní fáze kapalina). Vzorek je dávkován do proudu mobilní
fáze, v koloně je separován na jednotlivé složky, které vstupují do detektoru (nejčastěji
spektrofotometrického v ultrafialové a viditelné oblasti spektra). Záznam z detektoru (tzv.
chromatogram) umožní vyhodnocení analýzy.
Nejčastěji se dnes pracuje v systému obrácených (reverzních) fází, kde chemicky vázané alkylové
řetězce (nejčastěji C18H37) na silikagelu slouží jako stacionární fáze (nepolární) a voda s přídavkem
organických rozpouštědel (methanol, acetonitril atd.) jako fáze mobilní (polární). Níže prezentovaná
metoda je použitelná pro kyseliny sorbovou, benzoovou a jejich sodné, draselné a vápenaté soli a dále
pro estery a soli kyseliny p-hydroxybenzoové.
Praktická část
1. Úkol
Stanovit obsah konzervačních látek v předloženém nápoji pomocí HPLC.
2. Pomůcky a přístroje
• HPLC chromatograf sestávající z pumpy, dávkovacího ventilu (dávkovací smyčka 20 µl)
a UV detektoru s proměnnou vlnovou délkou; vyhodnocovací zařízení – počítač; analytická
kolona Spherisorb-5-ODS 4,6×250 mm, zrnění sorbentu 5 µm s předkolonkou 4,6×50 mm,
ultrazvuková lázeň, analytické váhy
3
• odměrné baňky, lodičky, injekční mikrostříkačka Hamilton (100 µl), odměrné válce, skleněné
pipety, pipetovací balónek, pomůcky potřebné k sestavení filtrační aparatury, skládaný filtr se
střední velikostí pórů, mikrofiltr s membránou o porozitě 0,45 µm, injekční stříkačka, rukavice,
ochranné brýle
3. Chemikálie
• deionizovaná, resp. redestilovaná voda, methanol (pro HPLC), roztok podle Carreze I: 150 g/l
K4Fe(CN)6 . 3H2O, roztok podle Carreze II: 300 g/l ZnSO4 . 7H2O, zásobní roztok acetátového
pufru (0,2 M CH3COONa . 3H2O; 0,2 M CH3COOH), pracovní roztok acetátového pufru
(10 × ředěný zásobní pufr deionizovanou vodou), mobilní fáze – methanol/pracovní roztok
pufru (30/70; v/v), kyselina sorbová (p.a.), kyselina benzoová (p.a.), vzorek nápoje.
4. Pracovní postup
• Příprava vzorku
o do 100 ml odměrné baňky se odpipetuje 20 ml předem odplyněného (ultrazvuková lázeň)
vzorku a přidá se cca 60 ml extrakční směsi (MeOH/H2O, 30/70, v/v)
o odměrná baňka se ponechá 10 minut v ultrazvukové lázni při teplotě 70°C
o obsah odměrné baňky se vyčeří přidáním 1 ml roztoku podle Carreze I, po promíchání se
přidá roztok podle Carreze II a po opětovném promíchání a ochlazení směsi na laboratorní
teplotu se baňka doplní extrakční směsí po rysku (u čirých roztoků lze tuto operaci
vynechat)
o následně se obsah odm. baňky přefiltruje přes skládaný filtr, přičemž první podíl filtrátu
(cca 20 ml) se vylije
o několik mililitrů filtrátu se dále přefiltruje přes membránový mikrofiltr a podrobí
chromatografické analýze
• Příprava standardních roztoků kyseliny benzoové a sorbové o konc. 100 mg/l
o standardní roztoky se připraví rozpuštěním navážky standardu v extrakční směsi
o do odm. baňky (100 ml) se převede 10 mg standardu kyseliny benzoové, po rozpuštění
navážky se baňka doplní extrakční směsí po rysku
o stejným způsobem se připraví standardní roztok kyseliny sorbové
o připravené standardní roztoky se použijí k přípravě sady směsných kalibračních roztoků
v rozsahu koncentrací 10 – 100 mg/l (dle vlastního uvážení)
• HPLC analýza
o HPLC systém se promyje mobilní fází a pro analýzu se zvolí vhodná průtoková rychlost
(± 1ml/min)
o nastaví se vlnová délka, při které bude UV detektor zaznamenávat absorbanci eluátu
(235 nm pro stanovení kyseliny benzoové a sorbové, 260 nm pro stanovení
p-hydroxybenzoanů)
o vzorky se do chromatografického systému dávkují pomocí mikrostříkačky Hamilton –
dávkovací smyčka se přeplňuje 100 μl vzorku
o provede se analýza všech kalibračních roztoků a vzorků (nástřik každého roztoku se
opakuje 3×)
4
5. Vyhodnocení
Identifikace stanovovaných látek se provádí porovnáváním retenčních časů, resp. přídavkem
standardů ke vzorku. Kvantifikace se provádí metodou vnějšího standardu s využitím kalibrační
křivky. Výsledky se porovnají s hodnotami deklarovanými výrobcem nebo hodnotami NPM, které
jsou dány legislativou ČR.
6. Otázky
• Uveďte a vysvětlete alespoň tři metody kvantifikace analytu.
• Jakou úlohu plní v systému HPLC předkolona?
7. Literatura
•
•
•
•
•
Vyhláška ministerstva zdravotnictví č. 4/2008 Sb., kterou se stanoví druhy a podmínky použití
přídatných látek a extrakčních rozpouštědel při výrobě potravin.
Velíšek J., Hajšlová J.: Chemie potravin 2. Tábor: Ossis, 2009.
Davídek J. a kol.: Laboratorní příručka analýzy potravin. Praha: SNTL, 1977.
Churáček J. a kol.: Analytická separace látek. Praha: SNTL, 1990.
Churáček J., Jandera P.: Úvod do vysokoúčinné kapalinové kolonové chromatografie. Praha:
SNTL, 1984.
5
Stanovení konzervačních látek pomocí kapilární elektroforézy
TEORETICKÁ ČÁST
Konzervační látky
Konzervační látky jsou významnými potravinovými aditivy prodlužujícími trvanlivost potravin
(zamezují v potravinách růst mikroorganismů). Příliš vysoké množství konzervačních látek
v potravinách však může konzumentům způsobovat negativní vedlejší účinky. Z tohoto důvodu je
potřeba kontrolovat, zda obsah těchto konzervačních látek není vyšší než nejvyšší povolené množství
(NPM).
Kyselina benzoová a sorbová patří spolu s jejich solemi mezi nejúčinnější konzervační látky.
Kyselina sorbová se v potravinářství používá zejména v nápojích a sýrech, a to k zabránění rozvoje
plísní, kvasinek a bakterií. Dále může být použita např. v pekařských výrobcích, margarínech,
kečupech a salátech.
Kyselina benzoová se v potravinářství používá např. v čokoládách, citronech, pomerančích, ovocných
nápojích, sýrech, nízkotučných džemech a zmrzlinách.
Kapilární elektroforéza
Stanovení konzervačních látek je možno provést pomocí kapilární elektroforézy (CE). Princip CE je
založen na elektroforetické migraci iontů v elektrickém poli. Tato metoda je tedy použitelná pro
analyty schopné nést náboj v důsledku jejich disociace či protonizace. Separace je uskutečněna
v kapiláře – nejčastěji v křemenné. Vnitřní průměr kapiláry se pohybuje od 10 do 100 μm a její délka je
v rozmezí od 30 do 100 cm.
Separace analytů probíhá vložením vysokého napětí, které je používáno v rozmezí od 0 do 30 kV.
Rozseparované analyty jsou poté sledovány pomocí detektoru (nejčastěji spektrofotometrického
v ultrafialové a viditelné oblasti spektra), který je umístěn na opačném konci kapiláry, než je dávkován
vzorek. Dávkování vzorku se provádí buď elektrokineticky, nebo tlakem (hydrodynamické dávkování).
PRAKTICKÁ ČÁST
Úkol: Stanovte obsah kyseliny benzoové a sorbové v neznámém vzorku. Naměřené hodnoty slovně
okomentujte. Rozhodněte, zda vzorek vyhovuje či nevyhovuje předepsaným normám.
6
Pomůcky a přístroje: kapilární elektroforéza Agilent s detektorem diodového pole (DAD), počítač pro
vyhodnocování analýz (software ChemStation), křemenná kapilára (50 µm vnitřní průměr),
ultrazvuková lázeň, váhy, pH metr, filtrační aparatura, membránový mikrofiltr, laboratorní mixér,
odměrné baňky, kádinka, střička
Chemikálie: kyselina boritá, kyselina salicylová, kyselina benzoová, kyselina sorbová, hydroxid sodný,
vzorek potravin, kalibrační roztoky k pH metru, destilovaná voda, deionizovaná voda, methanol
Pracovní postup:
Příprava základního elektrolytu:
•
Do odměrné baňky (250 ml) se naváží množství kyseliny borité odpovídající koncentraci
0,05 M
•
Odměrná baňka se doplní deionizovanou vodou po rysku
•
Provede se kalibrace pH metru (podle návodu k přístroji)
•
Pomocí roztoku hydroxidu sodného se upraví pH elektrolytu na hodnotu 9,5
Příprava vzorku:
•
V případě potřeby se vzorek zhomogenizuje laboratorním mixérem
•
Do kádinky (50 ml) se naváží 5 – 10 g vzorku s přesností na 0,01 g, přidá se 10 – 20 ml
extrakční směsi methanolu a vody (30:70)
•
Kádinka se umístí na cca 10 minut do ultrazvukové lázně
•
Suspenze se vymyje extrakční směsí do odměrné baňky (100 ml) a doplní se základním
elektrolytem na objem cca 80 ml
•
Odměrná baňka se umístí na 10 minut do ultrazvukové lázně
•
Následně se přidá 10 ml roztoku kyseliny salicylové (1 mg/ml) sloužící jako interní standard
a odměrná baňka se doplní základním elektrolytem po rysku
•
Roztok se filtruje přes skládaný filtr, první podíl filtrátu se vylije
•
Několik mililitrů filtrátu se dále filtruje přes stříkačkový membránový mikrofiltr
•
Získaný filtrát se použije pro stanovení kyseliny sorbové a benzoové ve vzorku
•
Měření vzorku se provádí 3x
Příprava kalibračních roztoků:
•
Připraví se základní roztoky kyseliny benzoové a sorbové, a to navážením a rozpuštěním
potřebného množství v základním elektrolytu
•
Tyto základní roztoky se použijí pro přípravu sady kalibračních roztoků
•
Do odměrných baněk (10 ml) se připraví sada kalibračních roztoků v koncentračním rozsahu
1 až 50 mg/l (5 koncentračních úrovní) - rozpuštěním v základním elektrolytu
•
Do každého roztoku je potřeba přidat 1 ml roztoku kyseliny salicylové – interního standardu
•
Výsledná koncentrace kyseliny salicylové je tedy 0,1 mg/ml
•
Každý kalibrační roztok se analyzuje 2x
7
Analýza pomocí kapilární elektroforézy:
•
Podle pokynů vedoucího cvičení se provede nastavení přístroje
Experimentální podmínky:
Parametr
Podmínky
Separační napětí
+ 25 kV
Vlnová délka
235 nm
Dávkování
Hydrodynamicky
50 mbar/5s
Teplota
25 °C
•
Kalibrační roztoky a vzorek se podrobí analýze pomocí kapilární elektroforézy s DAD detekcí
•
Identifikace stanovovaných analytů se provede pomocí přídavku standardu kyseliny benzoové
nebo sorbové do vzorku (tzv. spikování)
•
Provede se integrace píků všech získaných analýz
•
Kvantifikace se provede metodou absolutní kalibrace s využitím kalibrační křivky – do
kalibračního grafu se vynáší korigované plochy píků (poměr plochy píku analytu a interního
standardu)
•
Vypočte se množství kyseliny benzoové a sorbové v předloženém vzorku
Vyhodnocení:
Plocha
píku
Kalibrační roztok 1
c = __________
c = __________
c = __________
c = __________
c = __________
Vzorek
Plocha
píku
Plocha
píku
Ø Plocha
píku
Korigovaná
plocha píku
k. benzoová
k. sorbová
k. salicylová
k. benzoová
k. sorbová
k. salicylová
k. benzoová
k. sorbová
k. salicylová
k. benzoová
k. sorbová
k. salicylová
k. benzoová
k. sorbová
k. salicylová
k. benzoová
k. sorbová
k. salicylová
8
Rovnice regrese: ________________________________
Vypočtená hodnota kyseliny sorbové ve vzorku: _________________
Vypočtená hodnota kyseliny benzoové ve vzorku: _________________
Slovní vyhodnocení naměřených hodnot vybraných konzervačních látek ve vzorku:
…………………………………………………………………………………………………………….…………
………………………………………………………………………………………………………………….
Otázky k prozkoušení studentů:
1. Popište princip kapilární elektroforézy.
2. Vyjmenujte módy kapilární elektroforézy.
3. Popište základní rozdíly mezi plošnou a kapilární elektroforézou.
4. Je možno použít kapilární elektroforézu pro stanovení neutrálních látek?
5. Je možno stanovit během jedné elektroforetické analýzy jak kationty, tak anionty?
6. Vysvětlete princip detektoru diodového pole.
7. Vyjmenujte další možné detektory, které se používají ve spojení s kapilární elektroforézou.
8. Z jakého důvodu se do potravin přidávají konzervační látky?
9. Jaké znáte jiné typy přidaných látek (tzv. éček)?
10. Navrhněte další možnou metodu vhodnou pro stanovení kyseliny sorbové a benzoové
v potravinách.
11. Z jakého důvodu je používán tzv. interní standard?
Doporučená literatura:
1. Kašička V.: Teoretické základy a separační principy kapilárních elektromigračních metod,
Chemické listy 91, 320 – 329, (1997).
2. Landers J.P., Handbook of Capillary Electrophoresis, CRC Press, Boca Raton 1997.
3. Altria K.D., Capillary Electrophoresis Guidebook: Principles, Operation, and Applications,
Humana Press Inc., New Jersey 1996.
4. Landers J.P., Handbook of Capillary and Microchip Electrophoresis and Associated
Microtechniques, CRC Press, Boca Raton 2008.
5. Davídek J.: Laboratorní příručka analýzy potravin, Praha, 1977.
6. Nielsen S.S.: Food Analysis, Springer, New York, 2010.
7. Ötleş S.: Handbook of food analysis instrument, CRC Press, Boca Raton, 2008.
8. Coultate T. P.: Food: The chemistry of its components, RCS Publishing, London, 2009.
9
Identifikace neznámého polymeru
Teoretická část
Při analýze makromolekul a v plastikářské technologii se při hodnocení kvality (v chemickém i
technologickém smyslu často využívá speciálních zkoušek a testů (hodnocení elasticity, tepelné
odolnosti, pevnosti atd.). Výsledky těchto zkoušek jsou užitečným pomocníkem při identifikaci
neznámého polymeru nebo materiálu finálního produktu. I ve vlastní chemické analýze hrají pro
rychlou orientaci důležitou roli netradiční testy, jako je chování polymeru v plameni, při pyrolýze,
rozpustnost apod.
Nicméně v analýze polymerů mají zásadní význam instrumentální analytické metody: infračervená
(IČ) a Ramanova spektroskopie, nukleární magnetická rezonance, gelová chromatografie, plynová
chromatografie pyrolytických produktů s hmotnostně spektrometrickou detekcí a další.
K základní identifikaci polymeru se mimo jiných využívá následujících zkoušek:
• Orientační zkoušky
o V prvé řadě jde o charakterizaci polymeru na základě jeho vzhledu – konzistence, barva,
čirost, opacita; lze také odhadnout, zda se jedná o elastomer, plastomer nebo reaktoplast
(duromer).
o Chování v plameni – vzorek na platinovém očku se umístí těsně nad plamen kahanu
(nesvítivý plamen) a sleduje se: změna barvy plamene, vznik sazí (čadivost), hoření vzorku
(samozhášivost) a jeho chování po vyjmutí z plamene, následně se posuzují změny
ohořelého zbytku. Jde o velmi rychlou zkoušku, ale výsledky významně ovlivňují plniva,
změkčovadla, pigmenty a jiné přísady, které mohou polymery obsahovat, proto je nutné
analyzovat pouze čisté polymerní vzorky.
Charakteristickým ukazatelem pro některé polymery je zápach, který vzniká při jejich
hoření a také vzhled ohořelého zbytku. Polymery s jednoduchou strukturou bez dvojných
vazeb snadno depolymerují a tají (např. PE), jejich ohořelý zbytek se od původního příliš
neliší – je jen otavený a zeskelněný. Polymery s benzenovým jádrem v řetězci produkují při
hoření saze, které se mohou na povrchu materiálu usazovat (např. PS). Povrch některých
polymerů po depolymeraci v plameni je drsný nebo napěněný unikajícím plynem (např.
PMMA). Při hoření polysacharidů vzniká žhnoucí načervenalý popel.
• Dalším užitečným klasifikačním ukazatelem je testování rozpustnosti v různých
rozpouštědlech. Obecně vykazují makromolekulární látky nízkou rozpustnost. Nicméně se i zde
uplatňují dobře známá pravidla: podobné se rozpouští v podobném a rozpustnost daného
polymeru klesá s rostoucí molekulovou hmotností. Některé polymery (např. polyvinylalkohol,
polymethylenoxid nebo některé deriváty celulosy) jsou rozpustné ve vodě. V chlorovaných
uhlovodících jsou rozpustné polymery nepolární povahy (např. ataktický polystyren,
polyvinylchlorid, kaučuky, methakryláty, dokonce i některé ethery celulosy).
• Fyzikální konstanty – z fyzikálních konstant se u polymerů nejčastěji určuje hustota a teplota
tání nebo rozmezí teplot „fázového přechodu“. U nízkotajících vzorků je možné určit index
lomu.
10
• Výše zmíněné zkoušky mají spíše orientační charakter a poskytují rámcovou představu o druhu
polymeru, další testy umožní blíže specifikovat typ polymeru – jde především o důkazy prvků
(elementární analýza) a charakteristické reakce pro důkaz některých funkčních skupin a
štěpných produktů (barevné reakce).
o Elementární analýza – provádí se zkouška podle Lassaigne, při níž se polymer mineralizuje
tavením s kovovým sodíkem. Charakteristické prvky se dokazují ve vodném výluhu
taveniny pomocí jednoduchých reakcí. Důležitým krokem je dokonalé protavení polymeru.
Po filtraci se dokazuje dusík jako berlínská modř, síra jako Ag2S a halogeny jako AgX po
okyselení a vyvaření.
o Barevné reakce – provádí se Liebermannova a Wechslerova reakce, reakce s polyjodidem,
kyselinou chromotropovou, kyselinou chloroctovou a dichloroctovou. Negativní reakci se
všemi uvedenými činidly dává teflon a vysokotlaký polyethylen. Lineární polyethylen,
polypropylen, polyisobutylen a polystyren se mohou při adsorpci polyjodidu velmi slabě
růžově vybarvit. Polystyren může při Wechslerově reakci poskytnout nažloutlé zbarvení.
Typické reakce jsou uvedeny v tabulce 2.
Praktická část
1. Úkol
Identifikujte neznámý polymer na základě orientačních zkoušek fyzikálních konstant, elementární
analýzy, barevných reakcí, pyrolytických produktů a IČ spektrometrie. Předkládané vzorky jsou čisté
monopolymery, výjimečně kopolymery a neobsahují žádná plnidla, změkčovadla, vulkanizační přísady
apod.
• mikroskop opatřený topným stolkem, předvážky, třepačka, IČ spektrometr
• zkumavky, stojan na zkumavky, kádinky, kahan, platinové očko, kopist, skleněné pipety,
pipetovací balónek, porcelánové misky, třecí miska s tloučkem, pomůcky potřebné k sestavení
filtrační aparatury, rukavice, ochranné brýle, ochranný štít
3. Chemikálie
• vzorek polymeru, destilovaná voda, KBr, CCl4, Na, acentanhydrid, konc. H2SO4, pyridin,
polyjodid draselný, 5% methanolický roztok KOH, 72% H2SO4, chromotropová kyselina,
chloroctová kyselina, dichloroctová kyselina, dimethylaminobenzaldehyd, acidobazický
indikátor
4. Pracovní postup
• Orientační zkoušky:
o zaznamenají se vnější vlastnosti vzorku – barva, čirost, konzistence
o testuje se chování polymeru v plameni – zbarvení plamene, čadivost, samozhášivost
a zápach (identifikace zápachu se nejsnáze provádí po vyjmutí vzorku z plamene)
o testuje se rozpustnost předloženého vzorku polymeru ve vodě a tetrachlormethanu – malé
množství vzorku se třepe po dobu přibližně 2 hod. se 2 ml rozpouštědla, sleduje se, zda se
testovaný vzorek rozpouští/nerozpouští nebo bobtná
o vykazuje-li vzorek dobrou rozpustnost v CCl4, přefiltruje se a filtrát se použije k pořízení IČ
spektra
11
•
•
•
Fyzikální konstanty:
o pod mikroskopem se určuje teplota tání nebo rozmezí teplot fázového přechodu
Elementární analýza
o 10 – 20 mg vzorku se mineralizuje kovovým sodíkem – mineralizace se provádí
v mikrobaňce
se sodíkem nabodnutým na kapiláru, je nutné chránit si obličej ochranným štítem
o po protavení se horká mikrobaňka rozpraskne v porcelánové misce s 5 ml vody
o po filtraci se dokazuje dusík jako berlínská modř, síra jako Ag2S a halogeny jako AgX
o z výsledků elementární analýzy provedené analytickým servisem se určí sumární vzorec
Barevné reakce
o Liebermannova reakce
Je obecná pro steroidy (cholesterol), terpeny (deriváty abietové kyseliny) a tedy i pro přírodní
pryskyřice.
• přibližně 0,2 g vzorku se za horka rozpustí nebo nabobtná ve 2 ml acetanhydridu
• několik kapek roztoku (suspenze) se převede na porcelánovou misku a po stěně se
podvrství několik kapek konc. H2SO4
• po 30 minutách se zaznamená výsledné zbarvení
o Wechslerova reakce
Je obecná pro chlorované deriváty – jedná se o analogii Fujiwarovy reakce na chlorované
uhlovodíky.
• malé množství rozetřeného vzorku se převrství 1 ml pyridinu a po 3 minutách se ke
směsi přidají 2 – 3 kapky 5% roztoku KOH v methanolu
• zkouška se opakuje také za horka: vzorek s pyridinem se povaří 1 min a methanolický
roztok KOH se přidá k ještě horké směsi
o Reakce s kyselinou chromotropovou
Je typická pro polymery degradující v kyselém prostředí za vzniku formaldehydu
(polyethylenglykol, polyakrylamid, polyvinylalkohol, polyvinylacetát, některé deriváty
celulosy a všechny formaldehydové pryskyřice (duromery).
• k malému množství vzorku se přidají 2 ml 72% H2SO4 a několik krystalků kyseliny
chromotropové, reakční směs se zahřívá na vodní lázni po dobu 10 minut
• výsledné zbarvení se porovná se slepým pokusem
o Reakce s polyjodidem
Je typická pro deriváty celulosy a polyvinylderiváty. Zbarvení rozlišuje čistě uhlovodíkové a
kyslík obsahující skelety.
• k rozetřenému vzorku se přidá několik kapek roztoku polyjodidu draselného, směs se
naředí vodou a protřepe
• reakční směs se nechá 2 minuty vybarvit
• suspenze se izoluje dekantací nebo filtrací (přes skleněnou fritu) a promyje vodou
• u vzorků ve vodě rozpustných (škrob, PVAl) nebo ve vodě bobtnajících (polyakrylamid,
některé deriváty celulosy) se vybarvuje gelová fáze i „roztok“
12
•
•
o Reakce s kyselinou chloroctovou a dichloroctovou
Reaguje PVC a další vinylové polymery, reakční mechanismus není znám.
• malé množství vzorku (asi 0,1 g) se ve zkumavce zahřívá s 1 – 2 ml kys. chloroctové,
nevybarví-li se tavenina po 2 minutách varu, reakce je negativní; je nutné chránit si
obličej ochranným štítem
• test se opakuje s kyselinou dichloroctovou
Pyrolýza
Produkty pyrolýzy jsou pro jednotlivé polymery typické. Jednoduché polymery s kvarterním
uhlíkem se při pyrolýze degradují především na monomery (methakryláty, polyisobutylen,
methylpolystyren). V jednoduchém provedení pyrolýzy se sleduje vznik původních komponent
(formaldehydu, fenolů, karboxylových kyselin atd.). Jednoduchá pyrolýza se využívá především
k identifikaci elastomerů (kaučuků), acidita pyrolytických produktů a časové závislosti jejich
tvorby je skupinovou charakteristikou. Další možností je využití kombinace pyrolýzy a
identifikačních roztoků A (dimethylaminobenzaldehyd) a B (acidobazický indikátor), které se
vybarví podle obsahu těkavých produktů v elastomeru (viz tabulka 3).
o asi 0,5 g vzorku se vloží do pyrolytické zkumavky
o do připojené absorpční zkumavky se předloží 1,5 ml roztoku A
o pyrolytická zkumavka se zahřívá mikrokahanem, po 1 – 2 min vývoje plynu se absorpční
zkumavka vymění za druhou s 1,5 ml roztoku B
o roztok A se převede do zkumavky, přidá se 5 ml methanolu a po 20 min se zaznamená
zabarvení směsi
o směs se pak zahřívá při 50°C na vodní lázni po dobu 2 – 3 min, poté se zaznamená
případná barevná změna.
o zbarvení roztoku B upozorňuje na typ polymeru
o pyrolytickou zkumavku je nutné před pyrolýzou vyčistit vyžíháním do sucha a po
zchládnutí propláchnout kyselinami HCl a H2SO4
o místo absorpčních roztoků lze zařadit různá činidla (důkaz formaldehydu, fenolů,
primárních a sekundárních aminů) a zvýšit tak identifikační jistotu
IČ spektrometrie
o nerozpustné polymery: v třecí misce s tloučkem se rozetře na špičku špachtle vzorku
s malým množstvím KBr, z takto připravené směsi se vylisuje tableta
o za asistence vyučujícího se proměří IR spektrum vzorku
5. Vyhodnocení
Na základě výsledků provedených zkoušek se odhadne typ polymeru. Pořízené IČ spektrum polymeru
se porovná s atlasem spekter a určí se další mikrostrukturní parametry. Mimoto se také porovnají
výsledky kvantitativní elementární analýzy se závěrem identifikace.
6. Otázky
• Navrhněte a popište provedení důkazu N, S a halogenů.
• Vysvětlete pojmy: elastomer, plastomer, termoplast, duromer (reaktoplast), popř. uveďte
příklady.
• Uveďte alespoň tři různé polymery a jejich typický zápach, který uvolňují při hoření.
13
7. Literatura
•
•
•
•
•
Rybnikář F. a kol.: Analýza a zkoušení plastických hmot. Praha: SNTL, 1965.
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně: Ústav fyziky a materiálového inženýrství [online]. [cit 4. 11.
2012]. Dostupné z: http://ufmi.ft.utb.cz/texty/kzm/KZM_05.pdf.
Hummel D. O., Scholl F.: Atlas for Polymer and Plastics Analysis, Vol. 1 Polymer: Structures
and Spectra. Munich, Vienna: Hanser, 1982.
Nálepa K.: Stručné základy chemie a fyziky polymerů. Olomouc: rektorát Univerzity Palackého
v Olomouci, 1990.
Stránský Z. a kol.: Analýza organických sloučenin. Olomouc: rektorát Univerzity Palackého
v Olomouci, 1981.
14
Tabulka 1: Orientační zkoušky polymerů v plameni
Hoření po vyjmutí
z plamene
Plamen
Vzhled ohořelého zbytku
polyetylen (PE)
+
svítivý s modrým jádrem
otavený, měkký
polypropylen (PP)
+
svítivý s modrým jádrem
otavený
polystyren (PS)
+
svítivý, čadivý (saze)
otavený, zčernalý
polyizobutylen (PIB)
+
svítivý, žlutý
mazlavý, lepkavý
polyamid (PA)
+
modrý se žlutou špičkou
otavený
polymetylmetakrylát
+
modrý se žlutou špičkou
zhnědlý, prostoupený bublinkami
polyvinylacetát (PVAc)
+
žlutý, jiskřivý
ztmavlý
polyvinylalkohol (PVAl)
+
svítivý, žlutý, čadivý
očazený, změklý
polyvinylbutyral (PVB)
+
modrý s nažloutlým okrajem
ztmavlý
polyvinylchlorid (PVC)
-
žlutý, základna zeleně lemovaná
zuhelnatělý, křehký
polyetylentereftalát (PET)
+
svítivý, čadivý
otavený, zuhelnatělý
polytetrafluoretylen (PF4)
-
žlutý, základna zelená
beze změny
epoxidové pryskyřice
+
žlutý
zuhelnatělý
silikony
+
svítivý, bílé dýmy
bílá, křehká hmota
Polymer
15
Tabulka 2: Přehled barevných reakcí
Polymer
PVC
Pvinylidenchlorid (PVdC)
PV-alkohol
PV-ethery
PV-acetát
PV-karbazol
Me-celulosa
Et-celulosa
Ac-celulosa
PMe-akrylát
PMe-methakrylát
Pmethoxyethylmethakrylát
P-akrylamid
P-methakrylamid
P-akrylonitril
Alkydy
Polyamid 1,6 a 6,6
Fenolformald. pryskyřice
Močovinoform. pryskyřice
Melaminform. pryskyřice
Kumaron-indenové pryskyřice
Kasein
PEG
P-fenylenoxid
Přírodní kaučuk
Chlorprenový kaučuk
Chlorkaučuk
PIsobutylen + isopren
Polybutadien, Buna
P-butadien-styren
Ethylen-propylen-dien (EPDM)
P-styren-akrylonitril
P-butadien-akrylonitril
Liebermannova
reakce
hmota  m – z
žlutá
žh  čh
mzh
(sv. zelená)
modrozelená
žlutá  oliv.
oranžová  červ.
modrozelená
(hnědá)
čh  tm. hnědá
rč
(žo)
(oh)
červená
 červenohnědá
-
hnědočerná
m  šz  hčr
modravá
-
Wechslerova reakce
za chladu
za horka
hnědočervená
hnědá
žlutá
sv. žlutá
žlutá
žlutozelená
olivově zelená
-
olivová – hčr
hnědočerná
žlutá
žlutá
sv. žlutá
žlutá
oranžová
červenohnědá
sv. žlutá
sv. žlutá
-
Chromotropová
reakce
Vybarvení
polyjodidem
Chloroctová
kyselina
Dichloroctová
kyselina
červenohnědá
červená
č – sv. hnědá
žlutohnědá
fialová
červená
fialová
béžová
červená
fialová
purpurová
červenofialová
?
fialová
fialová
-
starorůžová
mz  černá
f  tm. h.
čh  černá
modrá
purpurová
zel. nebo mz
červenofialová
purpurová
černomodrá
černá
zelenomodrá
modrofialová
červenohnědá
hf
žlutá
červená
žlutá
žlutá
černá
tm. hnědá
žlutá
žlutá
hnědá
tm. h  černá
sv. zelená
-
modrá
žlutá
žlutá
sv. žlutá
sv. žlutá
sv. žlutá
červenohnědá
sv. žlutá
sv. žlutá
(sv. žlutá)
-
černá
oranžovočervená
rezavá
růžová
růžová
červenohnědá
červenohnědá
sv. červené
žluté
oranžové
Vysvětlivky: č – červená, čh – červenohnědá, čr – černá, f – fialová, h – hnědá, hčr – hnědočerná, m – modrá, mz – modrozelená, o – oranžová, p – purpurová, r – růžová, šz – šedozelená,
z – zelená, ž – žlutá, žo – žlutooranžová, žh – žlutohnědá apod.; sv. m. – světle modrá, tm. h. – tmavě hnědá apod.; č – sv. hnědá: červená až světle hnědá apod., r  č: růžová přechází v červenou,
(hnědá) – reakce je málo výrazná.
Tabulka 3: Identifikace elastomerů pyrolýzou
Elastomer
slepý pokus
přírodní kaučuk (NR)
přírodní + styrenbutadienový kaučuk
chloroprenový kaučuk
(CR)
chloroprenakrylonitrilový
kaučuk (NCR)
styren butadienový
kaučuk (SBR)
polyizobutylen,
butylkaučuk
polyvinylchlorid (PVC)
roztok A
počáteční zbarvení
zbarvení po zahřátí
sv. žluté
sv. žluté
hnědé
fialové modré
roztok B
zbarvení
zelené
zelené
olivově zelené
zelenomodré
zelené
oranžově červené
červené
zelené
oranžově červené
červené
žluté až červené
žlutozelené
zelené
zelené
žluté (plavou kapky)
světle modrozelené
zelené
žluté
žluté
červené
17
Základní rozbor vápence
TEORETICKÁ ČÁST
Vápenec
Vápenec je usazená hornina, jejíž hlavní složkou je uhličitan vápenatý (CaCO3). Barva vápence může
být od čistě bílé až po černou – záleží na příměsích. Příměsi jsou rozhodujícím činitelem pro
použitelnost vápence, jeho způsob těžby a případně další úpravu. V České republice jsou vápence
velice rozšířenou horninou a mají podstatný národohospodářský význam. Vápence se zužitkují např.
na štěrk, dekorační a stavební kámen a k výrobě vápna a cementu. V neposlední řadě jsou používány
také k různým účelům v chemickém, cukrovarském i sklářském průmyslu a v hutnictví.
Podle chemického složení jsou vápence rozděleny do 8. tříd jakosti, a to především podle obsahu
uhličitanu vápenatého a hořečnatého a dalších oxidů. Každá třída je určena pro různé účely použití.
Vápence používané pro cukrovarnictví jsou řazeny do 3. třídy jakosti a měly by splňovat následující
složení:
•
Obsah uhličitanu vápenatého a hořečnatého: min. 96 % (z toho uhličitan hořečnatý min. 2 %)
•
Obsah oxidu křemičitého: max. 1,5 %
•
Obsah seskvioxidů: max. 0,8 %
Vápenec používaný v cukrovarnictví (cukrovarnických pecích) se vypaluje na vápno a vzniklé
produkty, kterými jsou oxid uhličitý a vápenatý jsou dále využívány. Oxid uhličitý je používán na
čeření surové cukrové šťávy a oxid vápenatý se používá na čistění a neutralizaci cukrové šťávy.
Rozklad hornin
Alkalické nebo alkalicko-oxidační tavení je preferovaným způsobem rozkladu hornin a minerálů.
Zásadité horniny a minerály je někdy možné rozkládat i kyselinami. Mezi zásadité minerály patří např.
vápence. ČSN 72 1216 předepisuje pro chemický rozbor vápence rozklad vzorku tavením
s uhličitanem sodným. Tento postup, zahrnující stanovení oxidu křemičitého odkouřením s kyselinou
fluorovodíkovou, brání především ztrátám stopových prvků při jejich následujícím stanovení.
Stanovení hlavních komponent vápenců a dolomitických vápenců (např. pro cukrovarnickou praxi)
není zatíženo významnými chybami aplikací rozkladu kyselinou chlorovodíkovou.
18
Stanovení vápníku a hořčíku
V současné době se pro stanovení vápníku a hořčíku v horninách a minerálech používá gravimetrie.
Vápenatý ion se sráží jako oxalát a žíhá na vážený oxid, hořčík jako fosforečnan hořečnato-amonný
a žíhá se na vážený difosforečnan dihořečnatý. V cukrovarnické praxi je však zvykem stanovovat obsah
(%) uhličitanu vápenatého a hořečnatého. K tomuto stanovení se používá chelatometrická titrace. Při
nízkém obsahu hořčíku (pod 4% MgCO3) je však chelatometrické stanovení nepřesné (rozdíl ve
spotřebách při titraci sumy a samotného vápníku nemá být menší než l ml). Proto je v tomto případě
nutné provést souběžné stanovení pomocí absorpční atomové spektrometrie.
PRAKTICKÁ ČÁST
Úkol: Stanovte obsah oxidu křemičitého, seskvioxidů R2O3, uhličitanu vápenatého a hořečnatého ve
vápenci určeném pro cukrovarnickou praxi. Rozhodněte, zda je předložený vzorek vápence vhodný
pro cukrovarnickou praxi.
1. Stanovení oxidu křemičitého (nerozložitelného podílu)
Úkol: Stanovte obsah oxidu křemičitého v předloženém vzorku vápence. Zjištěný obsah slovně
okomentujte.
Pomůcky a přístroje: muflová pec, vodní lázeň, váhy, vařič, sušárna, exsikátor, kahan, filtrační
aparatura, porcelánová miska, porcelánový kelímek, hodinové sklo, kádinka, navažovací lodička,
lžička, tyčinka, střička
Chemikálie: vzorek vápence, chlorid amonný, koncentrovaná kyselina sírová, koncentrovaná kyselina
chlorovodíková, 0,1 M dusičnan stříbrný, destilovaná voda
Pracovní postup:
•
Naváží se 2 g (s přesností na 2 mg) jemně rozetřeného vzorku vápence vysušeného při teplotě
105 až 110 °C
•
Navážený vzorek se převede na porcelánovou misku
•
Navažovací nádobka se „vypláchne“ 2-4 g chloridu amonného na porcelánovou misku
•
Vzniklá směs se promíchá tyčinkou (neměly by vzniknout hrudky)
•
Ke směsi se přidá potřebný objem destilované vody, aby došlo se vzniku husté kaše
•
Směs se opět promíchá, použitá tyčinka se opláchne destilovanou vodou
•
Porcelánová miska se přikryje hodinovým sklem, hubičkou misky se pomalu po kapkách
přidává 20 ml koncentrované H2SO4 (pozor na bouřlivost rozkladu)
19
•
Následně se směs zahřívá na vodní lázni až do skončení rozkladu
•
Hodinové sklo se opláchne do misky a obsah misky se na vodní lázni odpaří do sucha
•
Porcelánová miska s odparkem se dosuší (30 minut) v sušárně vyhřáté na 120 °C
•
Po vychladnutí se odparek spláchne 5 ml koncentrované HCl a nechá se 5 minut stát
•
Poté se přidá 20 ml destilované vody, směs se dobře promíchá tyčinkou a znovu odpaří na
vodní lázni
•
Vzniklý odparek se smočí (po stěnách) 5 ml HCl (1:1)
•
Po několika minutách se přidá 100 ml horké destilované vody a promíchá se použitou
tyčinkou
•
Připraví se filtrační aparatura
•
Vzorek se přefiltruje (filtr – bílá páska) do čisté kádinky
•
Filtr se 3 x promyje horkou 1 % HCl – pokaždé se nechá promývací roztok odkapat
•
Následně se filtr promyje horkou destilovanou vodou až do vymizení reakce na chloridy
(0,1 M AgNO3)
•
Filtr se vysuší a opatrně se zuhelní (nad kahanem) v předem vyžíhaném (1000 °C) a zváženém
porcelánovém kelímku
•
Zuhelněný zbytek se žíhá 1,5 hodiny v muflové peci vyhřáté na 1000 °C
•
Po žíhání se kelímek umístí do exsikátoru a po vychladnutí se zváží
•
Vypočte se procentuelní obsah SiO2 ve vzorku
•
Pozn. filtrát ponecháme pro stanovení obsahu seskvioxidů!
Vyhodnocení:
Výpočet obsahu (%) oxidu křemičitého (SiO2) v předloženém vzorku:
SiO2 (%) =
100 ⋅ (a − b)
n
a – hmotnost kelímku s SiO2 (g)
b – hmotnost prázdného kelímku (g)
n – navážka vzorku (g)
Vypočtená hodnota SiO2 (%): _______________________
Slovní vyhodnocení zjištěného obsahu oxidu křemičitého ve vzorku vápence:…………………
……………………………………………………………………………………………………………….………
…………………………………………………………………………………………………………………
20
2. Stanovení seskvioxidů
Úkol: Stanovte obsah seskvioxidů v předloženém vzorku vápence. Vypočtené množství slovně
zdůvodněte.
Pomůcky a přístroje: muflová pec, vařič, filtrační aparatura, váhy, exsikátor, kádinka, porcelánový
kelímek, střička
Chemikálie: Filtrát získaný během stanovení oxidu křemičitého, koncentrovaná kyselina dusičná, 10 %
roztok hydroxidu amonného, 1 % roztok dusičnanu amonného, kyselina chlorovodíková (1:1),
methylová červeň, 0,1 M dusičnan stříbrný, destilovaná voda
Pracovní postup:
•
Filtrát získaný během stanovení oxidu křemičitého (se všemi promývacími roztoky) se zahřeje
k varu
•
Přidá se několik kapek koncentrované HNO3, roztok se krátce povaří a následně se po kapkách
sráží 10 % roztokem NH4OH do barevného přechodu methylové červeně
•
Poté se přidají 3 kapky NH4OH navíc
•
Kádinka s filtrátem se umístí na teplé místo a po usazení se filtruje (filtr – bílá páska)
•
Filtrát se jímá do velké čisté kádinky
•
Sraženina na filtru se 2 x promyje horkým 1 % roztokem NH4NO3
•
Kádinka pod filtrem se vymění za tu, ve které probíhalo srážení a sraženina na filtru se
rozpustí v 10 až 20 ml horké HCl (1:1)
•
Filtr se důkladně promyje horkou destilovanou vodou a opakuje se srážení roztokem NH4NO3
•
Vzniklá sraženina se zachytí na stejném filtru, který byl použit při první filtraci
•
Filtrát se jímá do kádinky s prvním filtrátem
•
Filtr se promyje 1 % roztokem NH4NO3 až do vymizení reakce chloridů
•
Filtr se vloží do předem vyžíhaného a zváženého porcelánového kelímku
•
Po vysušení a zpopelnění se žíhá v muflové peci při teplotě 1100 °C po dobu 1,5 hodiny
•
Po žíhání se kelímek umístí do exsikátoru, po vychladnutí se zváží
•
Vypočte se obsah seskvioxidů v předloženém vzorku
•
Pozn. filtrát ponecháme pro stanovení obsahu vápníku a hořčíku!
Vyhodnocení:
Výpočet obsahu (%) seskvioxidů (R2O3) v předloženém vzorku:
R2 O3 (%) =
100 ⋅ (a − b)
n
a – hmotnost kelímku s R2O3 (g)
b – hmotnost prázdného kelímku (g)
Vypočtená hodnota R2O3 (%): _______________________
21
Slovní vyhodnocení zjištěného obsahu seskvioxidů ve vzorku vápence:…………………
………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………….....………..
3. Stanovení vápníku a hořčíku
Úkol: Stanovte obsah uhličitanu vápenatého a hořečnatého ve vzorku vápence. Naměřené hodnoty
obsahů slovně okomentujte.
Pomůcky a přístroje: digestoř, vařič, vodní lázeň, titrační aparatura, titrační baňky, porcelánová miska,
odměrná baňka, ochranný štít, střička
Chemikálie: Filtrát získaný během stanovení seskvioxidů, destilovaná voda, 1% roztok kyseliny
chlorovodíkové, chelaton, dusičnan olovnatý, 10 % roztok hydroxidu sodného, murexid,
eriochromová čerň, Schwarzenbachův pufr
Pracovní postup:
•
Filtrát získaný během stanovení seskvioxidů se odpaří na vodní lázni do sucha
•
Větší část amonných solí se odkouří na vařiči v porcelánové misce (Pozor: digestoř, ochranný
štít)
•
Zbytek se rozpustí v 20 ml 1 % HCl a destilovanou vodou se převede do odměrné baňky
(250 ml), doplní se po rysku a řádně promíchá
•
Provede se stanovení přesné koncentrace odměrného roztoku chelatonu – standardizace na
dusičnan olovnatý resp. kovový zinek
•
25 ml roztoku se odpipetuje do titrační baňky, přidá se 10 ml 10 % NaOH a roztok se naředí
destilovanou vodou na objem cca 50 ml
•
Přidá se murexid (stanovení vápenatých kationtů) a roztok se titruje 0,1 M odměrným
roztokem chelatonu do maximální barevné změny indikátoru
•
Titrace se provede 3 x
•
Následně se odpipetuje 25 ml roztoku, přidá se 5 ml Schwarzenbachova pufru a roztok se
naředí na objem cca 50 ml
•
Přidá se eriochromová čerň (stanovení sumy vápenatých a hořečnatých kationtů) a roztok se
titruje odměrným roztokem chelatonu do modrého zbarvení
•
Titrace se provede 3 x
•
Vypočítá se obsah uhličitanu vápenatého a hořečnatého ve vzorku
Vyhodnocení:
Výpočet přesné koncentrace odměrného roztoku chelatonu: ……………………………………….
………………………………………………………………………………………………………………..............
...............................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
22
Výpočet obsahu uhličitanu vápenatého a hořečnatého ve vzorku vápence:
Titrace 1
Titrace 2
Titrace 3
Ø
Spotřeba chelatonu (ml)
– murexid
Spotřeba chelatonu (ml)
– eriochromová čerň
100 ⋅ 10 ⋅ s1 ⋅ c
n
100 ⋅ 10 ⋅ s 2 ⋅ c
CaCO3 + MgCO3 (%) =
n
CaCO3 (%) =
s1 - průměrná spotřeba odměrného roztoku při titraci na murexid (ml)
s2 – průměrná spotřeba odměrného roztoku při titraci na eriochromovou čerň (ml)
n – navážka vápence (g)
Pozn.: Pokud je rozdíl s2 – s1 menší než 1 ml je potřeba vzorek naředit (např. 10x), provést stanovení
hořčíku pomocí atomové absorpční spektrometrie a následně přepočítat na obsah uhličitanu
hořečnatého.
Vypočtená hodnota obsahu (%) uhličitanu vápenatého ve vzorku:_____________________
Vypočtená hodnota obsahu (%) sumy uhličitanu vápenatého a hořečnatého ve vzorku:
__________________________
Vypočtená hodnota obsahu (%) uhličitanu hořečnatého ve vzorku:______________________
Slovní vyhodnocení zjištěného obsahu uhličitanů ve vzorku vápence:……......................……………
………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………................…………………..
1. Vysvětlete rozdíl mezi horninou a minerálem.
2. Vysvětlete pojem seskvioxid
3. V jakých odvětvích a k čemu může být používán vápenec?
4. Vyjmenujte, jaké další příměsi mohou být přítomny ve vápenci.
5. Vyjmenujte základní parametry, které mají vliv na složení vápence.
6. Vysvětlete základní princip gravimetrie.
7. Vysvětlete princip chelatometrické titrace (odměrný roztok, indikátory).
8. Vysvětlete princip atomové absorpční spektrometrie.
23
1. Zýka J. a kol.: Analytická příručka, 1.díl, SNTL Praha, 1988.
2. Harvey D.: Modern Analytical Chemistry, The McGraw-Hill Companies USA, 2000.
3. http://www.svcement.cz/includes/dokumenty/seminar-2011/22-uplatneni-vapencovesuroviny-z-hlediska-kvality-v-ruznych-prumyslovych-odvetvych.pdf [cit. 05-12-12]
4. Šrámek V., Kosina L.: Analytická chemie, Nakladatelství Fin, Olomouc, 1996.
5. Kouřimský J.: Užitkové horniny a minerály, Aventinum, Praha, 1999.
24
Určení základních parametrů půdy
TEORETICKÁ ČÁST
Samotný rozbor půdy představuje celou řadu skupin nejenom analytických stanovení. V základním
rozboru jde o horninový rozbor (stanovení oxidů prvků), na nějž navazuje pedologický typový rozbor
(určení podle skeletu, zrnitosti, obsahu písku, jílu, kaolinitu, montmorillonitu, atd.) a cílený rozbor
(stanovení reziduí pesticidů, atd.).
V zemědělsky využívaných půdách se pravidelně kontrolují parametry, které vypovídají o schopnosti
půdy produkovat kulturní rostliny a o ekologicky nežádoucích změnách. Zde jde především o kontrolu
obsahu živin, organické hmoty, iontovýměnné kapacity a schopnosti, acidity a o kontrolu reziduí.
Podle zjištěných parametrů je možné zvolit druh plodiny, pro kterou je půda nejvhodnější, nebo např.
provést vhodnou aplikaci hnojiv popř. koncentrátů obsahujících požadovanou živinu.
Odběr vzorků půdy
Odběr vzorků je velice důležitým prvkem všech rozborů. Vzorky půdy se odebírají sondážními tyčemi,
průměrný vzorek se skládá z minimálně 30 odběrových míst. Hloubka odběru se řídí především typem
pěstovaných plodin. Plocha potřebná pro odběr vzorku je závislá na druhu půdy.
Zemědělské půdy můžeme rozdělit např. na půdu ornou (v bramborářské, horské, řepařské
a kukuřičné oblasti), půdu u trvalých travních porostů, půdu u chmelnic, vinic a intenzivních sadů.
Odběr vzorků zemědělských půd se řídí Vyhláškou Ministerstva zemědělství č. 275/1998 Sb.,
o agrochemickém zkoušení zemědělských půd a zjišťování půdních vlastností lesních pozemků.
Odebrané vzorky (umístěné v papírových nebo plastových obalech) se nechávají pro většinu rozborů
obeschnout na vzduchu, zbaví se hrubších částí skeletu a rostlinných zbytků a následně se podrobí
sítové analýze. Pro většinu stanovení se využívá tzv. jemnozemě I (propad přes síto s průměrem oka
2 mm), méně tzv. jemnozemě II (propad přes oko 0,25 mm).
25
Vybrané parametry:
Výměnné pH
je důležitým parametrem, který charakterizuje aciditu (kyselost) půdy, tedy např. i vliv kyselých dešťů.
Výměnné pH půdy je dáno především ionty vodíku, které jsou sorbovány půdními koloidy. Tyto ionty
se mohou za určitých podmínek uvolnit do půdního roztoku, čímž dojde ke zvýšení aktivní kyselosti
půdy. Půdu můžeme podle kyselosti rozdělit do tří skupin: kyselá půda (pH 4,0 – 6,6), neutrální půda
(pH 6,7 – 7,3) a zásaditá půda (pH 7,4 – 8,5). Kyselost půdy se snižuje především vápněním.
Přijatelný draslík
Draslík nacházející se v půdě v různých sloučeninách je možno rozdělit z hlediska přístupnosti pro
rostliny a druhu vazby do tří skupin. Jedná se o draslík nevýměnný, výměnný a vodorozpustný.
Draselný ion patří k základním živinám rostlin. Zvyšuje asimilační potenci rostlin, odolnost proti
vymrzání a chorobám, má být v rovnováze s obsahem sodíku (antagonismus). Za dostatečnou zásobu
draslíku v zemědělské půdě se považuje obsah 160 – 180 mg K+ v 1 kg půdy.
Stanovení je založeno na vytěsnění iontu z iontoměničového půdního komplexu směsí octanu
a šťavelanu amonného a obvykle následuje stanovení draslíku plamenovou fotometrií.
Přijatelný hořčík
Hořčík je v půdě obsažen jak ve velmi rozdílných koncentracích, tak i v různých formách. Průměrný
obsah veškerého hořčíku se pohybuje kolem 0,6 %. Půdy mající nejvyšší obsah hořčíku jsou půdy
vzniklé na dolomitu.
Přijatelnost hořčíku ovlivňuje především jeho forma (výměnný – na povrchu půdních koloidů,
nevýměnný – např. v minerálech) a v nemalé míře taktéž antagonistické působení jiných iontů (např.
K+, Ca2+). Obsah hořčíku reguluje fotosyntetické procesy.
Po eluci roztokem chloridu vápenatého se stanovuje spektrofotometricky (titanová žluť) nebo pomocí
atomové absorpční spektrofotometrie (AAS).
26
Přijatelný fosfor
Obsah celkového fosforu v půdě se pohybuje v rozmezí od 0,03 do 0,13 %. Nejvýznamnějším
přírodním zdrojem fosforu v půdě je minerál apatit. Fosfor se v přírodě vyskytuje vždy ve svém
nejvyšším oxidačním stupni. Obsah fosforu reguluje (zpomaluje) růst, urychluje nasazování plodů
a zrání a podporuje kvetení. Za dostatečnou zásobu se považuje obsah 250 mg P2O5/kg, přihnojení je
žádoucí při obsahu menším než 150 mg P2O5/kg.
Při stanovení fosforu se půda eluuje roztokem mléčnanu vápenatého a následuje spektrofotometrické
stanovení založené na tvorbě fosfomolybdenové modři.
Stanovení dusičnanů
Obsah celkového dusíku v půdě má poměrně stálou hodnotu, a to z toho důvodu, že je tvořen
sloučeninami chemicky i mikrobiologicky těžce rozložitelnými. Dusík jako živina je nutný pro tvorbu
rostlinných bílkovin a chlorofylu, podmiňuje růst rostlin. Přijatelné formy jsou dusík amoniakový,
amidový a nitrátový (s výjimkou motýlokvětých – luštěnin). Za minerální dusík se považuje sumu
amonného a nitrátového dusíku, jehož obsah pro pěstování kulturních rostlin nemá být menší než 120
až 150 mg N/kg půdy.
Předmětem analytické kontroly je stanovení celkového dusíku, amonného dusíku a nitrátového
dusíku. Nitrátový dusík je nepříliš žádoucí komponentou, i když rostliny převádějí podstatnou část
ostatních forem na dusičnan.
Obsah dusičnanů v půdě se kontroluje nejčastěji spektrofotometricky (Nesslerovo činidlo, nitrace
fenolů), nebo ISE elektrodou s kapalnou membránou. Elučním činidlem při stanovení dusíku je roztok
síranu draselného.
Organické látky (humus)
Organická složka půdy (humus) je mimořádně významná pro produkci kulturních plodin (ovlivňuje
úrodnost půdy), její obsah by měl být minimálně 2,5 %, podstatná je ovšem její kvalita. Kvalita
humusu se posuzuje např. podle poměru huminových kyselin (stabilnější s vyšší sorpční kapacitou) a
fulvokyselin. Humus poutá vláhu v půdě, zvyšuje jímavost vody a živin, zvyšuje záhřevnost půdy,
podporuje mikrobiální činnost a je zásobníkem dusíku.
27
V přírodně vyrovnaných půdách obsah organické hmoty koreluje s obsahem humusu. Organická
složka půdy podstatně ovlivňuje výsledky (recovery) stanovení jednotlivých organických komponent,
např. i reziduí pesticidů. Proto je stanovení organických látek mimořádně významné. Provádí se
z jemnozemě II.
Stanovení organických látek je založeno na totální oxidaci směsí kyseliny sírové a chromové (analogie
CHSK).
PRAKTICKÁ ČÁST
Úkol: Stanovte vybrané základní parametry (výměnné pH, přijatelný draslík, přijatelný hořčík,
přijatelný fosfor, obsah dusičnanů, obsah organických látek) předloženého vzorku - zemědělské půdy
1. Stanovení výměnného pH a potřeby vápnění
Úkol: U předloženého vzorku půdy stanovte hodnotu výměnného pH a potřeby vápnění. Naměřené
výsledky slovně zdůvodněte.
Pomůcky a přístroje: ultrazvuková lázeň, pH metr se skleněnou elektrodou, elektromagnetické
míchadlo, elektromagnetická míchačka, váhy, kádinka, střička, navažovací lodička, pipety
Chemikálie: 1 M KCl, 0,12 M NaOH, kalibrační roztoky k pH metru, destilovaná voda, reálný vzorek
zemědělské půdy (jemnozem I)
Pracovní postup:
• Do kádinky (150 ml) se naváží 20 g vzorku (jemnozem I)
•
Přidá se 50 ml 1M KCl
•
Kádinka se umístí na 2 hodiny do ultrazvukové lázně (během sonifikace se stanovují další
parametry půdy)
•
Podle pokynů vedoucího cvičení se provede kalibrace pH metru
•
Po vyjmutí z ultrazvukové lázně se do kádinky vloží elektromagnetické míchadlo
•
Kádinka se umístí na elektromagnetickou míchačku, do roztoku se vloží skleněná pH
elektroda (elektroda se nesmí dotýkat stěny kádinky ani elektromagnetického míchadla)
připojená k pH metru
•
Po dvou minutách míchání se zaznamená naměřená hodnota pH
•
V případě, že je naměřená hodnota pH menší než 6,5, provede se titrace (sloužící pro výpočet
tzv. potřeby vápnění)
•
Suspenze se titruje odměrným roztokem 0,12M NaOH (po 1 ml), a to za stálého míchání
•
Po každém přídavku (1 ml) se vyčká 1 minutu a zaznamená se naměřená hodnota pH
28
•
Titrace se ukončí po dosažení pH majícího hodnotu 7,0
•
Ze spotřeby odměrného roztoku se vypočítá tzv. potřeba vápnění (viz vyhodnocení)
Vyhodnocení:
Naměřená hodnota výměnného pH1: ___________________
Výpočet potřeby vápnění:
A) Počet tun (CaO/ha) = spotřeba odměrného roztoku ∙ 0,5
B) Počet tun (CaCO3/ha) = spotřeba odměrného roztoku ∙ 0,9
Vypočtená hodnota potřeby vápnění2: A) ___________________ B) ________________
Slovní
zhodnocení
zjištěných
hodnot:……………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………….………
……………………………………………………………………………………………………….
hodnota zaokrouhlená na 1 desetinné místo
hodnota zaokrouhlená na 0,5 t/ha
1
2
2. Stanovení přijatelného draslíku
Úkol: U předloženého vzorku půdy stanovte obsah draslíku. Zjištěnou hodnotu slovně zdůvodněte.
Pomůcky a přístroje: plamenový fotometr, ultrazvuková lázeň, váhy, filtrační aparatura,
Erlenmayerova baňka (100 ml), odměrné baňky, odměrný válec, navažovací lodička, střička
Chemikálie: eluční roztok (octan + šťavelan amonný), zásobní roztok K+, vzorek půdy, destilovaná
voda
Pracovní postup:
Příprava vzorku:
• Do zábrusové Erlenmayerovy baňky (100 ml) se naváží 10 g vzorku půdy
•
Vzorek se zalije 25 ml elučního roztoku (octan + šťavelan amonný) a následně se umístí do
ultrazvukové lázně
•
Vzorek se sonifikuje (eluuje) po dobu dvou hodin (během této doby je vhodné připravit sadu
kalibračních roztoků nutných pro následné stanovení K+)
•
Připraví se filtrační aparatura
•
Vzorek se vyjme z ultrazvukové lázně a po usazení se filtruje (získaný filtrát má být čirý)
•
Filtrát se dále použije k plamenově fotometrickému stanovení K+
• Ze zásobního roztoku K+ se do odměrných baněk odpipetuje potřebné množství odpovídající
koncentraci 20, 40, 80, 120 a 160 mg K+/l, což odpovídá obsahu 50, 100, 200, 300 a 400 mg
K+/kg půdy
29
•
Odměrné baňky se doplní destilovanou vodou po rysku, kalibrační roztoky se řádně protřepou
a použijí se pro sestavení kalibrační křivky sloužící pro stanovení K+
Plamenová fotometrie:
• Podle pokynů vedoucího cvičení se provede nastavení přístroje
•
Proměří se sada kalibračních roztoků (počínaje roztokem majícím nejnižší koncentraci K+)
•
Proměří se filtrát získaný úpravou vzorku půdy
•
Sestrojí se kalibrační křivka a provede se výpočet obsahu K+ v předloženém vzorku
Vyhodnocení:
Koncentrace K+
(mg/kg)
50
100
200
300
400
Reálný
vzorek
Naměřená hodnota
Rovnice regrese: ___________________
Vypočtená hodnota K+ (mg/kg půdy): _________________
Slovní
zhodnocení
naměřené
hodnoty
K+
ve
vzorku:……………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………..............
3. Stanovení přijatelného hořčíku
Úkol: U předloženého vzorku půdy stanovte obsah hořčíku. Stanovenou hodnotu slovně zdůvodněte.
Pomůcky a přístroje: atomový absorpční spektrometr, třepačka, předvážky, filtrační aparatura,
Erlenmayerova baňka, odměrné baňky, navažovací lodička, lžička
Chemikálie: eluční roztok CaCl2, vzorek půdy, zásobní roztok hořčíku, destilovaná voda
Pracovní postup:
Příprava vzorku:
• Do Erlenmayerovy baňky (100 ml) se naváží 5 g půdy (na předvážkách)
•
Přidá se 50 ml elučního roztoku CaCl2
•
Vzorek se umístí na 1 hodinu na třepačku popř. do ultrazvukové lázně (během této doby je
vhodné připravit sadu kalibračních roztoků – viz níže)
•
Po usazení se roztok filtruje (filtr – bílá páska) – prvních cca 5 ml filtrátu se vylije
•
Získaný filtrát se použije pro stanovení hořčíku
30
• Zásobní roztok se 10 x zředí elučním roztokem CaCl2 do odměrné baňky o objemu 200 ml
•
Ze zředěného zásobního roztoku se do odměrných baněk (100 ml) odpipetuje potřebné
množství odpovídající koncentraci 0 (tzv. slepý vzorek); 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1 a 2 mg/l hořčíku,
což odpovídá obsahu 0; 0,5; 1; 2; 5; 10 a 20 mg hořčíku v 1 kg půdy
•
Odměrné baňky se doplní elučním roztokem po rysku, kalibrační roztoky se řádně protřepou
a použijí se pro sestavení kalibrační křivky sloužící pro stanovení hořčíku v půdě
Atomová absorpční spektrometrie:
• Podle pokynů vedoucího cvičení se provede nastavení přístroje (používá se svítivý plamen
acetylen-vzduch, štěrbinový hořák v poloze napříč)
•
Proměří
se
sada
kalibračních
roztoků
(počínaje
roztokem
majícím
nejnižší
koncentraci hořčíku)
•
Pozn. naměřená absorbance vzorku i kalibračního roztoku majícího nejvyšší koncentraci
hořčíku by neměla přesáhnout hodnotu 0,6
•
Proměří se filtrát získaný úpravou vzorku půdy – pokud je hodnota absorbance vyšší než
hodnota absorbance nejkoncentrovanějšího kalibračního roztoku, je potřeba filtrát naředit
elučním roztokem
•
Sestrojí se kalibrační křivka a provede se výpočet obsahu hořčíku v předloženém vzorku půdy
Vyhodnocení:
Koncentrace hořčíku
Naměřená
(mg/kg)
0
0,5
1,0
2,0
5,0
10,0
20,0
Reálný vzorek
hodnota
Rovnice regrese: ___________________
Vypočtená hodnota hořčíku (mg/kg půdy): _________________
Slovní
vyhodnocení
naměřené
hodnoty
hořčíku
ve
vzorku:……………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………...............
31
4. Stanovení přijatelného fosforu
Úkol: U předloženého vzorku půdy stanovte hodnotu přijatelného fosforu. Zjištěnou hodnotu slovně
zdůvodněte.
Pomůcky a přístroje: fotometr, třepačka, filtrační aparatura, vodní lázeň, předvážky, pipeta, zábrusové
zkumavky, Erlenmayerova baňka, odměrná baňka, navažovací lodička, lžička, střička
Chemikálie: eluční roztok, činidlo, reduktans, zásobní roztok fosforu, vzorek půdy, destilovaná voda
Pracovní postup:
•
Do Erlenmayerovy baňky (500 ml) se naváží 5 g půdy (na předvážkách)
•
Přidá se 250 ml elučního pracovního roztoku
•
Baňka se umístí 1,5 hodiny na třepačku popř. na 1 hodinu do ultrazvukové lázně (během této
doby je vhodné připravit sadu kalibračních roztoků – viz níže)
•
Po usazení se roztok filtruje (filtr – bílá páska) – prvních cca 10 ml filtrátu se vylije
•
Ze získaného filtrátu se odpipetuje 25 ml do zábrusové zkumavky, přidá se 1 ml činidla a 1 ml
reduktans
•
Roztok se řádně promíchá
•
Zkumavka se spolu se zkumavkami obsahujícími kalibrační roztoky (příprava viz níže) umístí
do vroucí lázně na 30 minut (od počátku varu)
•
Po vychladnutí se roztoky použijí pro fotometrické stanovení fosforu
• Zásobní roztok fosforu se 100 x zředí do odměrné baňky o objemu 1000 ml
•
Získaný pracovní roztok obsahuje 2,5 µg/ml fosforu
•
Z pracovního roztoku se postupně odpipetuje do zábrusových zkumavek 0 (tzv. slepý pokus),
4, 8, 12, 16 a 20 ml (pozn. standardní roztoky odpovídají koncentracím 0, 20, 40, 60, 80 a 100
mg/kg fosforu)
•
Do každé zkumavky se přidá 1 ml neředěného elučního roztoku a doplní se destilovanou
vodou do objemu 25 ml
•
Následně se přidá 1 ml činidla a 1 ml reduktans
•
Zkumavky se spolu se vzorkem umístí do vroucí lázně na 30 minut (od počátku varu)
•
Po vychladnutí se standardní roztoky fotometricky proměří (naměřené hodnoty absorbance
slouží k sestrojení kalibrační křivky)
32
Fotometrické stanovení:
•
Stanovení se provádí při vlnové délce mající hodnotu 690 nm, a to proti slepému pokusu
•
Proměří
se
sada
kalibračních
roztoků
(počínaje
roztokem
majícím
nejnižší
koncentraci fosforu)
•
Následně se proměří reálný vzorek půdy
•
Sestrojí se kalibrační křivka a provede se výpočet obsahu fosforu v předloženém vzorku půdy
Vyhodnocení:
Koncentrace fosforu
Naměřená
(mg/kg)
0
20
40
60
80
100
Reálný vzorek
hodnota
Rovnice regrese: ___________________
Vypočtená hodnota fosforu (mg/kg půdy): _________________
Slovní
vyhodnocení
zjištěné
hodnoty
fosforu
ve
vzorku:……………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………..............
5. Stanovení dusičnanů
Úkol: Stanovte obsah dusičnanů v předloženém vzorku zemědělské půdy. Zjištěný obsah slovně
okomentujte.
Pomůcky a přístroje: potenciometr s měrnou a srovnávací elektrodou, předvážky, vařič, třepačka,
filtrační aparatura, Erlenmayerova baňka, odměrná baňka, pipety, navažovací lodička, lžička, střička
Chemikálie: 1 % roztoku K2SO4, chloroform, základní roztok dusičnanů, vzorek půdy, destilovaná
voda
33
Pracovní postup:
Příprava vzorku:
• Na předvážkách se naváží do Erlenmayerovy baňky (100 ml) 15 g vzorku půdy
•
Přidá se 75 ml 1 % roztoku K2SO4
•
Vzniklá suspenze se umístí na 1 hodinu na lineární třepačku popř. do ultrazvukové lázně
(během třepání je vhodné připravit kalibrační roztoky – viz níže)
•
Po usazení se suspenze filtruje přes skládaný filtr promytý horkou vodou (voda musí zcela
odkapat!)
•
Filtrát se konzervuje několika kapkami chloroformu, v případě, že je zakalený – filtruje se
znovu přes hustější filtr (modrá páska) promytý horkou vodou
•
Získaný filtrát se použije pro potenciometrické stanovení (s využitím membránové iontově
selektivní elektrody) obsahu dusičnanů ve vzorku
Pozn. Selektivita iontově selektivní elektrody není pro vyšší obsah chloridů a hydrogenuhličitanů
vyskytující se ve výluhu půdy dostatečná. Pokud vykazuje 1 ml výluhu zřetelný zákal nebo sraženinu s 1
ml 0,1 M AgNO3, je potřeba k výluhu přidat pevný Ag2SO4, a to dokud se tvoří sraženina AgCl. Tuto
sraženinu není nutné před samotným měřením odfiltrovat.
Pokud mělo výměnné pH hodnotu větší než 7,2 přidá se do výluhu před měřením 1 kapka H2SO4 (1:1).
• 20 ml základního roztoku dusičnanů se v odměrné baňce (100 ml) doplní 1 % roztokem
K2SO4, čímž se získá pracovní roztok obsahující 20 mg N/l
•
Z pracovního roztoku se pipetováním potřebných objemů připraví sada kalibračních roztoků
(minimálně 5 roztoků) o obsahu 0,2 až 20 mg N/l (odpovídá 1 až 100 mg N/kg), a to tak aby co
nejlépe pokrývala logaritmickou stupnici koncentrací
•
Po odpipetování vhodných objemů pracovního roztoku se odměrné baňky doplní po rysku
1 % roztokem K2SO4
•
Potenciometricky se proměří sada kalibračních roztoků a následně vzorek půdy
Potenciometrické stanovení:
• Iontově selektivní elektroda (ISE) se před promytím otře filtračním papírem a odkápnutím
roztoku kapalného ionexu se obnoví její povrch
•
ISE a srovnávací elektroda (merkurosulfátová nebo kalomelová s můstkem naplněným
nasyceným K2SO4) se ponoří do kádinky se vzorkem (popř. kalibračním roztokem)
•
Po ustálení potenciálu (cca 1 minuta) se zaznamená hodnota elektromotorického napětí
(EMN)
•
Elektrody se vyjmou z roztoku, ISE se opět otře filtračním papírem a odkápnutím kapalného
ionexu se obnoví povrch
•
Tímto způsobem se proměří sada kalibračních roztoků a vzorek půdy
•
Sestrojí se kalibrační křivka a vypočítá se obsah dusičnanů v předloženém vzorku půdy
34
Vyhodnocení:
logaritmus koncentrace dusičnanů
Naměřená
(mg/kg)
hodnota EMN
Reálný vzorek
Rovnice regrese: ___________________
Vypočtený obsah dusičnanů (mg/kg půdy): _________________
Slovní
vyhodnocení
zjištěného
obsahu
dusičnanů
ve
vzorku:……………………………………
………………………………………………………………………………………………………………..………
…………………………………………………………………………………………...............……………
6. Stanovení obsahu organických látek (humusu)
Úkol: Stanovte obsah organických látek v předloženém vzorku půdy. Zjištěný obsah slovně
okomentujte.
Pomůcky a přístroje: váhy, sušárna, titrační aparatura, titrační baňky, pipeta, hodinové sklo, lžička
Chemikálie: oxidační agens, síran železnato-amonný, ferroin, dichroman, kyselina sírová, vzorek půdy
(jemnozem II), destilovaná voda
Pracovní postup:
•
Do titrační baňky (100 ml) se naváží 0,2 g jemnozemě II
•
Přidá se 10 ml (pomocí pipety) oxidačního agens a obsah se promíchá tak, aby půda nezůstala
na stěnách baňky
•
Současně se připraví slepý pokus: Do tří titračních baněk se odměří 10 ml oxidačního agens
•
Všechny baňky se přikryjí hodinovým sklem a současně se vloží do sušárny předem vyhřáté na
125 °C na 45 minut (během této doby se připraví titrační aparatura) – nutno dodržet přesnou
teplotu i čas!
•
Po vychladnutí titračních baněk se provede titrace odměrným roztokem síranu železnatoamonného na ferroin do výsledného červeno (zeleno) hnědého zbarvení
•
Výsledné zbarvení je potřeba předem testovat, nutno je okyselit i vzorek
•
Přesná koncentrace odměrného roztoku se stanoví titrací 20 ml standardního roztoku
dichromanu okyseleného 2,5 ml H2SO4
35
•
Ze získaných spotřeb odměrného činidla se vypočte obsah organického uhlíku (rovnice viz
vyhodnocení)
Vyhodnocení:
Výpočet přesné koncentrace odměrného roztoku:………………………………………………................…..
…………………………………………………………………………………………………………………….…
……………………………………………………………………………………………………........................…
…………………………………………………………………………………………………………............……
Výpočet obsahu organického uhlíku (%):
Slepý
Slepý
Slepý
Ø slepý
pokus 1
pokus 2
pokus 3
pokus
Vzorek
Spotřeba odměrného
roztoku (ml)
cox =
(V1 − V2 ) ⋅ 10 ⋅ c ⋅ 0,03
n
V1 – průměrná hodnota spotřeby odměrného roztoku na slepý pokus (ml)
V2 – spotřeba odměrného roztoku na vzorek (ml)
c – přesná koncentrace odměrného roztoku (mol/l)
hodnota 0,03 – faktor odpovídající předpokladu, že 1 ml standardního roztoku dichromanu odpovídá
0,3 mg organického uhlíku
Pozn.: rozdíl V1 – V2 musí být v rozmezí 1 až 15 ml, v opačném případě je nutné zvolit vhodnější
navážku
Vypočtená hodnota cox (%)1: _______________________
Výpočet obsahu humusu (%):
humus(%) = cox ⋅ 1,724
Vypočtená hodnota humusu (%)1: ______________________
Slovní
vyhodnocení
zjištěného
obsahu
humusu
ve
vzorku:……………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………..............…….
1
Výsledky uveďte s přesností na 0,01 %.
36
1. Vyjmenujte možné typy sorpce v půdě.
2. Vysvětlete pojem huminové kyseliny.
3. Vysvětlete pojem humus.
4. Do jakých skupin je možno půdy rozdělit?
5. Vyjmenujte typy nejčastěji používaných hnojiv.
6. Popište možnosti odběru vzorků půdy pro analýzu.
7. Popište postup pro úpravu vzorků půdy před vlastní analýzou.
8. Vysvětlete rozdíl mezi jemnozemí I a jemnozemí II.
9. Vysvětlete, co charakterizuje acidita půdy.
10. Vysvětlete pojem antagonismus.
11. Popište metodu kalibrační křivky.
12. Popište základní princip potenciometrie.
13. Popište základní princip fotometrického stanovení.
14. Vysvětlete pojem iontově selektivní elektroda.
15. Vyjmenujte metody vhodné pro stanovení obsahu dusičnanů v půdě.
16. Vyjmenujte metody vhodné pro stanovení obsahu hořčíku v půdě.
17. Vyjmenujte metody vhodné pro stanovení obsahu draslíku v půdě.
18. Vyjmenujte metody vhodné ke stanovení obsahu fosforu v půdě.
37
1. http://www.agrokrom.cz/texty/HNOJENI/skripta_Richter/VR_vlastnosti_pudy_draslik.pdf
[cit. 10-11-1012]
2. http://www.agrokrom.cz/texty/HNOJENI/skripta_Richter/VR_vlastnosti_pudy%20_horcik.pd
f
[cit. 10-11-1012]
3. http://www.agrokrom.cz/texty/HNOJENI/skripta_Richter/VR_vlastnosti_pudy_fosfor.pdf
[cit. 10-11-1012]
4. http://www.agrokrom.cz/texty/HNOJENI/skripta_Richter/VR_vlastnosti_pudy_dusik.pdf
[cit. 10-11-1012]
5. http://www.agrokrom.cz/texty/metodiky/radce_hospodare/radce_pudni_podminky_cr.pdf
[cit. 10-11-1012]
6. Patnaik P.: Handbook of Environmental Analysis: Chemical Pollutants in Air, Water, Soil, and
Solid Wastes, CRC Press, Boca Raton, 2010.
7. Šťulík K. a kol.: Analytické separační metody, Karolinum Praha, 2005.
8. Zýka J. a kol.: Analytická příručka, 1.díl, SNTL Praha, 1988.
9. Harvey D.: Modern Analytical Chemistry, The McGraw-Hill Companies USA, 2000.
38
Stanovení mědi a niklu v oceli
Teoretická část
Elektrochemická rozpouštěcí voltametrie je metoda stopové analýzy, která je založena na předběžném
zakoncentrování analytu z roztoku vzorku na pracovní elektrodě a následném rozpouštění
nahromaděného analytu z povrchu elektrody zpět do roztoku. Zakoncentrování analytu na elektrodě
se provádí potenciostatickou elektrolýzou nebo adsorpcí.
Při stanovení anodickou rozpouštěcí (stripping) voltametrií (ASV) se analyt nahromaděný na rtuťové
kapkové elektrodě rozpouští anodicky zpět do roztoku (oxidace). ASV je vhodná především pro
stanovení iontů těžkých kovů.
Adsorpční rozpouštěcí voltametrie (AdSV) má značný význam zejména při stanovení stopových
koncentrací organických látek, které jsou schopné adsorbovat se na povrch elektrody.
Vzorek oceli se mineralizuje anorganickými kyselinami a poté se nikl stanoví metodou AdSV a měď
metodou ASV. Při vysokém obsahu sledované složky lze využít rovněž metodu fast scan diferenční
pulzní voltamerie (FSDPV).
Praktická část
1. Úkol
Stanovit obsah niklu a mědi v oceli pomocí voltametrie.
• Eco-Tribo polarograf se softwarem PolarPro 2.0 (Polaro-Sensors, Praha), vařič, dusík z tlakové
láhve, analytické váhy, nasycená argentochloridová referentní elektroda, platinová pomocná
elektroda, pracovní visící rtuťová kapková elektroda
• polarografické nádobky, odměrné baňky, skleněné pipety, mikropipety, kádinky, pipetovací
balónek, rukavice, ochranné brýle, ochranný štít
3. Chemikálie
• zásobní roztok 0,01 M CuSO4, zásobní roztok 0,01 M NiSO4, HCl (1:1), HNO3 (1:1), 70% HClO4,
triethanolamin, dimethylglyoxim (DH2), amoniakální pufr (0,1 M NH4OH + 0,1 M NH4Cl),
uhličitano-vinanový pufr (0,8 M K2CO3 + 0,4 M NaKC4H4O6 + 0,2 M HCl), redestilovaná voda,
vzorek oceli
4. Pracovní postup
o ve větší kádince (o objemu přibližně 250 ml) přikryté hodinovým sklem se za přídavku
20 – 25 ml zředěné HCl (1:1) rozpustí přesně zvážené množství vzorku (přibližně 0,2 g)
o po rozpuštění vzorku se přidá 5 ml zředěné HNO3 (1:1) a 2 ml 70% HClO4 na rozrušení
karbidů
o obsah kádinky se nechá na vodní nebo pískové lázni opatrně odpařit do sucha
o odparek se rozpustí v 10 ml HCl (1:1), vznikne-li sraženina, izoluje se filtrací a roztok se
v odměrné baňce doplní vodou na definovaný objem (50 ml)
Bezpečnostní upozornění: Koncentrované roztoky kyseliny chloristé se při styku s org.
látkami za horka explozivně rozkládají. Odpařování se provádí v zavřené digestoři, při práci
se používá ochranný štít.
39
• Stanovení niklu
o do polarografické nádobky se odpipetuje 1,0 ml vzorku (max. 10 μg Ni), 0,5 ml
triethanolaminu, 10 ml 0,1 M amoniakálního pufru, 0,2 ml 0,025% alkoholického  DH2
o obsah polarografické nádobky se doplní vodou do objemu 20 ml
o nádobka se umístí do stojánku polarografu a připravený roztok se probublá inertním
plynem (5 – 10 min)
o stanovení se provádí na počítačově řízeném Eko-Tribo polarografu v pracovním režimu
DP-stripping-HDME
o parametry měření se nastaví podle obrázku 1
o kvantitativní stanovení se provádí metodou standardního přídavku, vyhodnocení je
součástí softwarového vybavení přístroje
o před vlastním měřením se zaznamená vlna slepého vzorku
Obrázek 1: Nastavení parametrů pro stanovení niklu v oceli adsorptivní rozpouštěcí
voltametrií.
• Stanovení mědi
o stanovení se provádí v prostředí uhličitanu za přítomnosti vinanu sodno-draselného, který
brání srážení některých kovů
o do polarografické nádobky se odpipetuje 1 ml vzorku a 10 ml uhličitano-vinanového pufru
o obsah polarografické nádobky se doplní vodou do objemu 20 ml
o po důkladném probublání se provede měření v pracovním režimu DP-stripping-HDME
o před vlastním měřením se zaznamená vlna slepého vzorku
40
Obrázek 2: Nastavení parametrů pro stanovení mědi v oceli anodickou rozpouštěcí
voltametrií.
5. Vyhodnocení
Kvantifikace analytů se provádí metodou standardního přídavku, přičemž samotné vyhodnocení je
součástí softwarového vybavení pro Eco-Tribo polarograf.
6. Otázky
• Jaké konkrétní chemické individuum se při stanovení niklu adsorbuje na rtuťovou kapkovou
elektrodu?
• Jakou úlohu v tříelektrodovém zapojení plní pomocná elektroda?
7. Doporučená literatura
•
•
•
Wang J.: Analytical Electrochemistry. New York: Wiley-VCH, 2001.
Barek J., Opekar F., Štulík K.: Elektroanalytická chemie. Praha: UK – Karolinum, 2005.
Zýka J. a kol.: Analytická příručka, 1. díl. Praha: SNTL, 1988.
41
Stanovení kadmia v máku
Teoretická část
Anodická rozpouštěcí (stripping) voltametrie (ASV) je metoda stopové analýzy, která je založena na
předběžném nahromadění analyzovaného kovového iontu redukcí na povrchu rtuťové kapkové
elektrody a následné oxidaci vyloučeného kovu anodickou polarizací elektrody. Oxidace kovu se
sleduje metodou DPV. Metody elektrochemické rozpouštěcí voltametrie dosahují nízkých detekčních
limitů a jsou často srovnávány s metodou atomové absorpční spektrometrie.
Organické složky máku se rozloží „suchou“ mineralizací při kontrolovaném teplotním režimu.
Po převedení popela do roztoku se provede stanovení kadmia anodickou rozpouštěcí voltametrií.
Praktická část
1. Úkol
Stanovit obsah kadmia anodickou stripping voltametrií na rtuťové kapkové elektrodě v máku.
• Eco-Tribo polarograf se softwarem PolarPro 2.0 (Polaro-Sensors, Praha), sušárna, muflová pec,
vařič, dusík z tlakové láhve, analytické váhy, nasycená argentochloridová referentní elektroda,
platinová pomocná elektroda, pracovní visící rtuťová kapková elektroda
• polarografické nádobky, odměrné baňky, skleněné pipety, mikropipety, kádinky, rukavice,
ochranné brýle, ochranný štít.
3. Chemikálie
• zásobní roztok 0,01 M Cd(NO3)2, konc. HCl, konc. HNO3, konc. HClO4, zředěná HNO3 (1:5),
redestilovaná voda, vzorek máku
4. Pracovní postup
• Příprava vzorku – mineralizace máku
o čištění porcelánového kelímku: kelímek se naplní zředěnou HNO3 (1:5) a nechá stát celou
noc, poté se omyje vodou a redestilovanou vodou, vysuší a v peci vyžíhá 2 hodiny při 600°C
o do kelímku se přesně naváží 1 – 2 g máku, kelímek se vzorkem se vloží do sušárny, ve které
se pozvolna zvyšuje teplota tak, aby během 3 hodin dosáhla 200°C
o kelímek se vloží do muflové pece vyhřáté na 200°C
o rychlostí 80°C za hodinu se zvyšuje teplota v muflové peci až na 450°C
o kelímek se vzorkem se žíhá přes noc v muflové peci při 450°C (popel je šedobílý)
o kelímek s popelem se nechá vychladnout v exsikátoru (popel je velmi jemný a lehoučký,
v případě neopatrné manipulace hrozí významné ztráty)
o poté se do kelímku opatrně přikápne 0,5 ml konc. HNO3 a 0,1 ml HCl
o kyseliny se odkouří při 70 – 80°C na vařiči nebo v otevřené sušárně
o opatrně se přidá 0,5 ml konc. HClO4 a opět se odkouří (bezpečnostní upozornění:
koncentrované roztoky kyseliny chloristé se při styku s org. látkami za horka explozivně
rozkládají, při práci se používá ochranný štít)
o kelímek s odparkem se vloží do pece a po dobu jedné hodiny se teplota zvyšuje na 450°C
o po 30 min při 450°C se kelímek vyjme (popel je bílý až mírně nažloutlý) a přidá se 0,05 ml
konc. HNO3, 0,05 ml HCl a ve třech podílech redestilovaná voda (1 + 1 + 10 ml)
42
o suspendovaný obsah kelímku se kvantitativně převede do odměrné baňky (25 ml)
postupným vyplachováním vodou (popř. s využitím ultrazvukové lázně)
o mineralizaci je vhodné provádět paralelně ve 2 kelímcích
• Stanovení kadmia
o do polarografické nádobky se odpipetuje 10 ml vzorku a nádobka se umístí do stojánku
polarografu
o obsah nádobky se před měřením probublá inertním plynem (5 – 10 min)
o stanovení se provádí na počítačově řízeném Eco-Tribo polarografu v pracovním režimu
DP-stripping-HDME
Obrázek 1: Nastavení parametrů pro stanovení kadmia v máku anodickou rozpouštěcí
voltametrií.
5. Vyhodnocení
Kvantifikace analytu se provádí metodou standardního přídavku, přičemž samotné vyhodnocení je
součástí softwarového vybavení pro Eco-Tribo polarograf.
6. Otázky
• Navrhněte jinou instrumentální metodu ke stanovení kadmia.
• Zamyslete se, proč je důležité sledovat obsah kadmia v potravinách.
•
•
•
•
Velíšek J., Hajšlová J.: Chemie potravin 1. Tábor: Ossis, 2009.
Wang J.: Analytical Electrochemistry. New York: Wiley-VCH, 2001.
Barek J., Opekar F., Štulík K.: Elektroanalytická chemie. Praha: UK – Karolinum, 2005.
43
Fotometrické stanovení manganu v neželezné slitině
Teoretická část
Mangan je stříbrobílý, lesklý, tvrdý a velmi křehký kov. Za objev manganu (1774) vděčíme švédskému
chemikovi německého původu jménem C. V. Scheele, který mimo jiných prvků objevil také kyslík a
dusík. Mangan je po železu druhý nejrozšířenější těžký kov na Zemi. Je známo přibližně tři sta
minerálů s obsahem manganu a v přírodě často doprovází železné rudy. Velmi vzácně se vyskytuje také
jako ryzí kov. V lidském organismu hraje mangan významnou roli při metabolismu sacharidů,
bílkovin a tuků. Nadbytek manganu má však na lidský organismus toxický účinek, přičemž nejvyšší
toxicitu vykazují sloučeniny trojmocného manganu.
Největší část světové produkce manganu (více než 85 %) se spotřebuje jako legující přísada ocelí –
mangan potlačuje korozi, zvyšuje tvrdost, pevnost v tahu a kujnost. Dalším významným využitím
manganu je legování hliníku, bronzů a mosazí. Manganem legovaný hliník je odolnější vůči chemické
korozi. Manganové bronzy (Cu + Sn + Mn) obvykle obsahují i další legury, mangan snižuje tepelnou a
elektrickou vodivost, proto se tyto slitiny uplatňují při výrobě odporových vodičů a přesných měřících
odporů. Některé manganové bronzy se užívají k odlévání přesných součástek pro jemnou mechaniku.
Manganové mosazi (Cu + Zn + Mn) mají dobré antikorozní a mechanické vlastnosti, odolávají
i mořské vodě, našly uplatnění při výrobě lodních šroubů, turbínových lopatek, součástí zbraní
a armatur pro nejvyšší tlaky. Za zmínku stojí i tzv. Heuslerovy slitiny – mangan tvoří s mnoha kovy
(např. Sb, Bi, Al, Sn) ferromagnetické slitiny, přestože neobsahují ferromagnetický kov. Užívají se
k výrobě permanentních magnetů.
Principiálně stanovení manganu v této úloze spočívá v rozpuštění vzorku slitiny v kyselině dusičné (viz
reakce), převedení vzniklých manganatých iontů na fialově zbarvené MnO4- a jejich následném
fotometrickém stanovení.
3 Mn + 2 NO3- + 8 H+  3 Mn2+ + 2 NO + 4 H2O
Manganaté ionty lze silnými oxidačními činidly zoxidovat na intenzivně fialově zbarvené anionty
MnO4-. Samotnou oxidaci lze provést například dvěma následujícími způsoby:
a) Jodistan draselný KIO4 oxiduje manganaté ionty ve slabě kyselém prostředí a za zvýšené teploty
přímo na MnO4- bez použití katalyzátoru. Katalyzátor zde pravděpodobně vzniká v průběhu
mezireakcí.
b) Peroxosíran draselný K2S2O8 oxiduje manganaté ionty v prostředí zředěné kyseliny dusičné pouze
na MnO2. Je-li reakce katalyticky podpořena Ag+ proběhne oxidace až na fialově zabarvené anionty
MnO4-.
Fotometrické stanovení MnO4- zůstává stále jednou z nejvíce používaných metod na stanovení
manganu. Roztok MnO4- vykazuje velmi charakteristickou absorpční křivku s dvěma maximy ve
viditelné oblasti spektra, prvním při 526,5 nm a druhým při 546,5 nm, kromě toho má široký
absorpční pás v blízké ultrafialové oblasti při 310 nm. Pracuje-li se s méně kvalitním monochromatickým zářením, splývají obě maxima v jeden pás s jedním maximem přibližně při 530 nm.
44
Praktická část
1. Úkol
Stanovit obsah manganu v předložené neželezné slitině (např. mosazi) pomocí spektrofotometrie.
• fotometr nebo spektrofotometr, analytické váhy, vařič
• odměrné baňky, kádinky, hodinová skla, skleněné pipety, pipetovací balónek, pomůcky
potřebné k sestavení filtrační aparatury, rukavice, ochranné brýle
3. Chemikálie
• vzorek slitiny, MnSO4, KIO4, H2SO4 (1:4), HNO3 (1:1), konc. HNO3, konc. H3PO4, K2S2O8 (nebo
NH4S2O8), AgNO3, destilovaná voda
4. Pracovní postup
o ve větší kádince (o objemu přibližně 400 ml) přikryté hodinovým sklem se za přídavku 10
ml zředěné HNO3 (1:1) a za mírné teploty rozpustí přesně zvážené množství vzorku
(přibližně 0,5 g)
o po rozpuštění vzorku se vyvaří oxidy dusíku
o hodinové sklo a stěny kádinky se opláchnou malým množstvím dest. vody
o k rozpuštěnému vzorku se přidá 10 – 15 ml zředěné HNO3 (1:1)
o vznikne-li sraženina, je nutné ji odfiltrovat
o filtrát se převede do 100 ml odměrné baňky a doplní destilovanou vodou po rysku
o výše popsaným způsobem je vhodné zpracovat alespoň dvě navážky vzorku
• Příprava základního roztoku Mn2+ (0,01 g/100 ml)
o do 100 ml odměrné baňky se převede 0,02749 g MnSO4 (vyžíhaného při 500°C)
o obsah odměrné baňky se okyselí přídavkem 1 ml zředěné H2SO4 (1:4) a po rozpuštění
navážky doplní destilovanou vodou po rysku
o připravený základní roztok manganatých iontů se použije k přípravě sady kalibračních
roztoků s obsahem 0,06 – 1,2 mg Mn2+ (např. 0,06; 0,20; 0,40; 0,70; 0,90; 1,20 mg)
• Stanovení manganu
o roztok obsahující 0,06 – 1,20 mg Mn2+ (10 ml vzorku) se okyselí přídavkem 3 – 8 ml konc.
HNO3 a stejným objemem konc. H3PO4 (objem zvyšujeme po 1 ml se zvyšujícím se
obsahem Mn2+)
o oxidaci Mn2+ lze provádět dvěma postupy:
a) oxidace jodistanem draselným
• ke kyselému roztoku se přidá 0,1 – 0,25 g pevného KIO4 a roztok se povaří po dobu
2 - 5 minut
• po ochlazení na laboratorní teplotu se v odměrné baňce (50 ml) doplní po rysku
b) oxidace peroxosíranem draselným
• ke kyselému roztoku se přidá 0,5 ml 2% AgNO3 a 0,5 g pevného K2S2O8 nebo NH4S2O8
• roztok se cca 2 minuty povaří a po ochlazení doplní na definovaný objem 50 ml
o stejným způsobem se zpracují vzorky slitiny a blank
45
o pro kontrolu lze s použitím některého kalibračního roztoku s vhodnou koncentrací MnO4zhotovit absorpční křivku ve viditelné oblasti spektra
o stanovení se provede při vlnové délce prvního maxima
5. Vyhodnocení
Kvantitativní stanovení manganu v předloženém vzorku se provádí metodou kalibrační křivky.
S využitím kalibračních dat se vytvoří kalibrační závislost, zvolí se vhodný model regresní funkce
a pomocí regresní rovnice se určí obsah manganu ve vzorku.
6. Otázky
• Načrtněte jakékoli absorpční spektrum, uveďte jeho základní charakteristiky.
• Jakou úlohu má přídavek kyseliny fosforečné?
•
•
•
•
•
Remy H.: Anorganická chemie - II. díl. Praha: SNTL, 1972.
Vokáč A.: Analytická chemie kvalitativní. Praha: Academia, 1966.
Holzbecher Z.: Analytická chemie. Praha: SNTL, 1974.
Autor neuveden: Periodická tabulka [online]. 2009 [cit. 24. 9. 2012]. Dostupné z:
http://www.prvky.com.
46
Stanovení triazinových pesticidů v půdě pomocí plynové chromatografie
TEORETICKÁ ČÁST
Pesticidy
Pesticidy jsou chemické prostředky, které se nejčastěji používají v zemědělství, a to především na
tlumení a hubení rostlinných a živočišných škůdců. Hlavním důvodem jejich používání je tedy
zamezení ztrát na kulturních rostlinách, zásobách potravin i krmiv. Podle biologické účinnosti
pesticidů je můžeme rozdělit např. na insekticidy, herbicidy a fungicidy.
Triazinové pesticidy (herbicidy) jsou nejčastěji používanou skupinou pesticidů. Triazinové pesticidy
jsou relativně stabilní látky, které jsou nebezpečné pro vodní živočichy. Vyskytují se ve formě reziduí
v povrchových a podzemních vodách a také v půdě. V některých zemích (např. v Německu) je
používání triazinových pesticidů zakázáno, některé další země se snaží jejich použití alespoň omezit.
Plynová chromatografie
Chromatografie je separační metoda využívající dělení složek mezi dvěma fázemi - mobilní
a stacionární. V případě plynové chromatografie je mobilní fází inertní (nosný) plyn. Stacionární fází
je nejčastěji kapalina zakotvená na vhodném inertním nosiči nebo povrchově aktivní adsorbent.
Analyty jsou v koloně děleny na základě různé schopnosti poutat se na stacionární fázi. Hlavními
výhodami této metody jsou: rychlé provedení analýzy, účinná separace a malé množství vzorku
potřebného k analýze.
Plynová chromatografie je metoda vhodná pouze pro analýzu těkavých látek, které jsou tepelně stálé,
nebo látek po derivatizaci. Derivatizace je v plynové chromatografii používána především pro zvýšení
těkavosti popř. tepelné stability látek.
Detektory používanými v plynové chromatografii jsou např. tepelně-vodivostní detektor, plamenověionizační detektor, detektor elektronového záchytu a hmotnostně spektrometrický detektor. Pro
stanovení triazinových pesticidů v půdě bude použito spojení plynové chromatografie s NPD
detektorem, což je detektor, který je citlivý na sloučeniny obsahující atomy dusíku a fosforu.
47
Úprava vzorku
Izolace a prekoncentrace organických polutantů z komplikovaných matric jako je např. hlína,
sediment či odpadní kal, je velmi náročná a často i zdlouhavá operace. S využitím moderních vysokoúčinných extrakčních technik je možné tento zdlouhavý krok úpravy a izolace zkrátit na desítky minut.
Superkritická fluidní extrakce využívá jako extrakčního media superkritickou tekutinu oxidu
uhličitého. Superkritický CO2 je nepolární sloučenina a v superkritickém stavu se současně chová jako
kapalina i plyn. Kombinují se zde výhody obou skupenství, zejména solvatační vlastnosti rozpouštědel
a difuzivita plynů. Pro extrakci polárních sloučenin, jimiž triazinové pesticidy jsou, je nutné přidávat
modifikátor (methanol, acetonitril aj.), aby bylo možné i tyto polárnější sloučeniny extrahovat
s dostatečnou účinností. Záchyt extrahovaných analytů se provádí přímo expanzí CO2 do organického
rozpouštědla. Je možné použít i záchyt do filmu rozpouštědla nebo zachycení na pevném sorbetu. Tyto
dvě metody záchytu jsou ale podstatně experimentálně náročnější.
PRAKTICKÁ ČÁST
Úkol: V předloženém vzorku půdy stanovte obsah triazinových pesticidů
Pomůcky a přístroje: plynový chromatogram s NPD detektorem, zařízení pro superkritickou fluidní
extrakci, váhy, odměrné baňky, eppendorfky, lžička, střička
Chemikálie: Zásobní roztok obsahující 6 triazinových pesticidů (Simazin, Atrazin, Terbutylazin,
Desmetrin, Prometrin, Terbutryn), Amitriptilin – interní standard, vzorek půdy, aceton, methanol,
destilovaná voda
Pracovní postup:
Příprava vzorku – superkritická fluidní extrakce
• Do ocelové patrony se naváží 5 g vzorku půdy a přidá se 200 µl methanolu (jako modifikátoru)
•
Podle pokynů vedoucího cvičení se patrona uzavře, umístí se do extraktoru a zvolí se příslušný
extrakční program
Extrakční program
Tlak:
20 MPa
Čas:
30 minut
Modifikátor:
200 µl methanolu
Teplota cely:
35 °C
Teplota destruktoru:
100 °C
Teplota záchytu:
30 °C
48
•
Záchyt analytů se provádí do 1 ml acetonu
•
V průběhu extrakce se doplňují malá množství acetonu, aby byl ve viálce přítomen
a nedocházelo ke ztrátám analytů
•
Po extrakci se provede stanovení triazinových pesticidů pomocí plynové chromatografie
• Ze zásobního roztoku obsahujícího 6 triazinových pesticidů (80 µg/ml) se připraví pracovní
roztok mající koncentraci 1,6 µg/ml, a to odpipetováním vypočteného množství do odměrné
baňky (10 ml)
•
Pracovní roztok se doplní acetonem po rysku
•
Z pracovního roztoku se připraví sada kalibračních roztoků o celkovém objemu 1 ml majících
následující koncentrace: 0,32; 0,64; 0,80; 0,96 a 1,28 µg/ml
•
Do všech kalibračních roztoků je potřeba přidat (pomocí injekční stříkačky Hamilton) 10 µl
roztoku interního standardu Amitriptilinu o koncentraci 1 mg/ml
•
Následně se provede analýza všech kalibračních roztoků pomocí plynové chromatografie
Plynová chromatografie s NPD
• Podle pokynů vedoucího cvičení se provede nastavení plynového chromatografu HP 5890
Series II s NPD detektorem
Experimentální podmínky
Parametr
Kolona
Podmínky
HP-5 (5% fenyl-95% dimethylpolysiloxan)
30 m x 0,25 mm I.D. x 0,25 µm
Teplota nástřiku
250 °C
Nástřik
1 µl – metoda splitless 1 min.
Teplotní program
70 °C – 2 minuty
30 °C/min  180 °C – 12 minut
10 °C/min  250 °C – 5 minut
Teplota detektoru
250 °C
Nosný plyn
Helium (4.8)
1,73 ml/min (150 kPa)
Průtoky plynů pro detektor Vodík 3,7 ml/min
Dusík 32 ml/min
Vzduch 200 ml/min
•
Postupně se proměří všechny kalibrační roztoky a vyextrahovaný vzorek
•
Provede se integrace píků, sestrojí se kalibrační křivka a vypočítají se obsahy jednotlivých
triazinových pesticidů v předloženém vzorku půdy
49
Vyhodnocení:
• Pro sestrojení kalibrační křivky se použijí korigované plochy píků (plocha píku analytu/plocha
píku interního standardu
•
Kalibrační křivka se vytvoří v programu QC Expert, pomocí tohoto programu se dále
vypočítají limity detekce a limity stanovitelnosti pro jednotlivé standardy
•
Pomocí zpětných odhadů se uvede obsah triazinových pesticidů ve vzorku
•
Pozn. u všech hodnot je potřeba uvést směrodatnou odchylku nebo interval spolehlivosti
Triazinový pesticid
Limit detekce
Limit stanovitelnosti
(dle elučního pořadí)
(LOD)
(LOQ)
Vypočtený obsah ve vzorku
Simazin
Atrazin
Terbutylazin
Desmetrin
Prometrin
Terbutryn
1. Vysvětlete základní princip plynové chromatografie.
2. Vyjmenujte typy detektorů používané v plynové chromatografii.
3. Navrhněte další analytickou metodu, která je vhodná pro stanovení triazinových pesticidů.
4. Vyjmenujte a popište základní retenční charakteristiky v plynové chromatografii.
5. Popište rozdíly mezi eluční a frontální metodou.
6. Popište, k čemu jsou určeny pesticidy.
7. Popište základní vlivy pesticidů na ekosystémy a lidské zdraví.
8. Napište, podle čeho je možné zařadit pesticidy do skupin.
1. Churáček J.: Analytická separace látek, SNTL, Praha, 1990.
2. http://www.agrokrom.cz/texty/metodiky/radce_hospodare/radce_herbicidy_a_jejich_vyuziti.pdf
[cit. 05-12-12]
3. Patnaik P.: Handbook of Environmental Analysis: Chemical Pollutants in Air, Water, Soil, and
Solid Wastes, CRC Press, Boca Raton, 2010.
50
Analýza mastných kyselin v přírodních tucích
TEORETICKÁ ČÁST
Mastné kyseliny
V přírodě se vyskytuje více než 100 mastných kyselin. Mastné kyseliny (vyšší monokarboxylové
kyseliny) mají většinou sudý počet uhlíků a lineární řetězec. Obvykle se vyskytují v esterifikované
formě jako součást jiných lipidů (např. acylglycerolů a fosfolipidů).
Mastné kyseliny se od sebe liší především délkou řetězce, množstvím dvojných vazeb a polohou
vodíkových atomů kolem vazby. Podle stupně nasycenosti je možno mastné kyseliny rozdělit do dvou
hlavních skupin, kterými jsou nasycené mastné kyseliny a nenasycené mastné kyseliny.
Přírodní tuky jsou tvořeny především třemi mastnými kyselinami, kterými jsou kyselina olejová,
linolová a palmitová. Dalšími kyselinami zastoupenými v menším množství jsou např. kyselina
stearová, arachová, lignocerová, myristová a různé transmastné kyseliny.
Plynová chromatografie
Chromatografie je separační metoda využívající dělení složek mezi dvěma fázemi - mobilní
a stacionární. V případě plynové chromatografie je mobilní fází inertní (nosný) plyn. Stacionární fází
je nejčastěji kapalina zakotvená na vhodném inertním nosiči nebo povrchově aktivní adsorbent.
Analyty jsou v koloně děleny na základě různé schopnosti poutat se na stacionární fázi. Hlavními
výhodami této metody jsou: rychlé provedení analýzy, účinná separace a malé množství vzorku
potřebného k analýze.
Plynová chromatografie je metoda vhodná pouze pro analýzu těkavých látek, které jsou tepelně stálé,
nebo látek po derivatizaci. Derivatizace je v plynové chromatografii používána především pro zvýšení
těkavosti popř. tepelné stability látek.
Detektory používanými v plynové chromatografii jsou např. tepelně-vodivostní detektor, plamenověionizační detektor, detektor elektronového záchytu a hmotnostně spektrometrický detektor. Pro
stanovení mastných kyselin v přírodních tucích bude použito spojení plynové chromatografie
s hmotnostně spektrometrickým detektorem.
51
PRAKTICKÁ ČÁST
Úkol: Stanovte poměr mastných kyselin v předloženém vzorku tuku. Zjištěné výsledky slovně
okomentujte.
Pomůcky a přístroje: Plynový chromatograf Agilent HP 6890 s hmotnostním spektrometrem Agilent
5973 N MSD, řídící a vyhodnocovací software ChemStation, váhy, vodní lázeň, zpětný chladič, filtrační
aparatura, odměrná baňka, dělící nálevka, lžička, střička
Chemikálie: vzorek tuku, hexan p.a., methanol p.a., 0,5 M KOH v methanolu, bezvodý Na2SO4,
koncentrovaná H2SO4, nasycený vodný roztok NaCl, 0,1 % methyloranž, destilovaná voda
Pracovní postup:
Příprava vzorku:
• Do odměrné baňky (100 ml) se naváží 0,5 g vzorku tuku (u vzorků, které obsahují vodu, se
voda předem odstraní filtrací přes bezvodý Na2SO4)
•
Přidá se 10 ml 0,5 M roztoku KOH v methanolu a směs se zmýdelňuje 45 minut pod zpětným
chladičem na vroucí vodní lázni
•
Po ochlazení se přidají 2 kapky methyloranže a opatrně se přikapává koncentrovaná H2SO4 až
do zřetelně kyselé reakce (trvalé červené zbarvení)
•
Přidají se navíc 2 kapky koncentrované H2SO4
•
Směs se znovu vaří 45 minut pod zpětným chladičem
•
Přes chladič se přidá asi 50 ml destilované vody
•
Po ochlazení se obsah baňky převede do dělící nálevky (250 ml)
•
Methylestery se vyextrahují 3 x 10 ml hexanu, k lepšímu rozdělení vrstev je možno do nálevky
přidat asi 5 ml nasyceného roztoku NaCl
•
Spojené hexanové extrakty se promyjí 3 x 20 ml destilované vody a vysuší se filtrací přes
bezvodý Na2SO4
•
Alikvotní podíl extraktu se ředí hexanem tak, aby výsledná koncentrace roztoku nepřekročila
hodnotu 1 mg/ml (vztaženo k výchozí navážce tuku)
•
Zředěný extrakt se použije na analýzu pomocí plynové chromatografie ve spojení
s hmotnostním spektrometrem
Analýza pomocí plynové chromatografie s MS detektorem
52
Experimentální podmínky:
Parametr
Podmínky
Kolona
HP 5, 30 m x 0,25 mm x 0,25 µm
Nosný plyn
Helium (4.8), průtok 0,9 ml/min
Nastavení přístroje definováno v metodě SQUALEN.M
Nástřik
1 µl; dávkovací puls 140 kPa
0,4 min., 280 °C
Teplotní program
50 °C – 2 minuty
10 °C/min  300 °C – 15 minut
MS sken
29 – 520 m/z
Solvent delay: 4 min.
•
Provede se analýza vyextrahovaných analytů z předloženého vzorku
Vyhodnocení:
•
Identifikace mastných kyselin se provede pomocí získaných MS spekter a pomocí standardu
methylesteru kyseliny olejové
•
Poměr jednotlivých mastných kyselin se vyhodnotí metodou vnitřní normalizace
•
Molární
poměr
n-kyselin
lze
určit
vyhodnocením
iontového
chromatogramu
rekonstruovaného pro hmotu 74 m/z
Vypočtený poměr jednotlivých mastných kyselin:
_________________________________________________________________________
Slovní vyhodnocení zjištěného poměru mastných kyselin ve vzorku tuku:…………………
………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………...............…..
1. Vysvětlete metodu vnitřní normalizace.
2. Vysvětlete obecný princip plynové chromatografie.
3. Vyjmenujte a popište základní retenční charakteristiky v plynové chromatografii.
4. Popište základní princip hmotnostní spektrometrie.
5. Popište zásadní rozdíl v rostlinných a živočišných tucích.
6. Vyjmenujte mastné kyseliny, které jsou důležité pro naše zdraví. Proč?
7. Která mastná kyselina pomáhá snižovat hladinu celkového i „špatného cholesterolu“?
53
2. Churáček J.: Analytická separace látek, SNTL, Praha, 1990.
3. http://che1.lf1.cuni.cz/html/Mastne_kyseliny_2sm.pdf [cit. 05-12-12]
4. Murray R.K.: Harperova biochemie, H & H, Clearwater, 2002.
54
Stanovení laktalbuminu v mléce pomocí gelové elektroforézy
TEORETICKÁ ČÁST
Gelová elektroforéza
Gelová elektroforéza patří v současné době k nejpoužívanějším separačním technikám sloužících
k analýze proteinů a nukleových kyselin. Základním principem této metody je pohyb nabitých molekul
v elektrickém poli. Při separaci se navíc vedle elektroforetické pohyblivosti (mobility) uplatňuje
molekulově sítový efekt (póry gelu slouží jako molekulové síto).
Nejčastěji využívanými gely jsou gely agarózové a polyakrylamidové (PAGE). V případě gelu
agarózového se jedná o síť tvořenou dlouhými cukernými polymery, které jsou vázány nekovalentními
vodíkovými můstky a hydrofobními vazbami. V případě PAGE gelu se jedná o síť monomerů
akrylamidu, která je spojena kovalentními vazbami pomocí N,N´-methylenbisakrylamidu. Velikost
pórů gelu je závislá především na použité koncentraci agarózy či akrylamidu.
Gelovou elektroforézu je možno rozdělit na dva hlavní typy, kterými jsou nativní gelová elektroforéza
a SDS gelová elektroforéza. Nativní gelová elektroforéza probíhá bez denaturačních činidel a proteiny
tedy migrují skrz gel podle jejich celkového náboje, velikosti, tvaru a velikosti pórů gelu. Při použití
SDS elektroforézy dochází k denaturaci proteinů a jejich pohyblivost závisí především na molekulové
hmotnosti vzniklého polypeptidového řetězce.
Po rozdělení analytů pomocí gelové elektroforézy (analýza obvykle trvá několik hodin – závisí
především na hodnotě vloženého proudu) je nutné provést jejich detekci. Detekci je možno uskutečnit
několika způsoby - jedním z nich je použití barviva Coomassie blue, což je látka, která je schopna
navázat se na proteiny. Po odbarvení gelu dojde následně k zviditelnění rozseparovaných proteinů.
Proteiny v mléce
Kravské mléko v současné době představuje zdroj kvalitních živočišných proteinů. Celkový obsah
proteinů v kravském mléce je okolo hodnoty 3,5 %. Pokud je mléko podrobeno odtučnění nebo
tepelné úpravě, obsah proteinů se zásadně nemění. Může se však měnit jejich kvalita. V kravském
mléce je poměr dvou hlavních proteinů, kterými jsou kasein a laktalbumin (α -laktalbumin, β laktalbumin), 80 : 20. Tento poměr se však může výrazně lišit u dalších druhů mléka (např.
u mateřského mléka je tento poměr obrácený).
55
α-laktalbumin je důležitý syrovátkový protein kravského mléka (koncentrace v mléce je cca 1 g/l). Je
obsažen taktéž v mléku dalších savců. Podílí se např. na tvorbě laktózy.
PRAKTICKÁ ČÁST
Úkol: Proveďte stanoveníα -laktalbuminu v předloženém vzorku mléka. Získaný výsledek slovně
zdůvodněte.
Pomůcky a přístroje: zařízení pro gelovou elektroforézu, váhy, elektromagnetická míchačka,
elektromagnetické míchadlo, odměrné baňky, kádinky, nádoby na vybarvovací a odbarvovací roztok,
navažovací lodičky, špachle, lžička, střička, rukavice
Chemikálie: α-laktalbumin, 30 % akrylamid, 2 % bisakrylamid, 10 % persíran amonný, TEMED,
ethanol, methanol, kyselina octová, kyselina trichloroctová, Coomassie blue, destilovaná voda, Tris,
glycin, kyselina chlorovodíková
Pracovní postup:
Příprava elektrolytů:
•
Připraví se elektrolyt, do kterého se následně vloží vytvořený gel: 0,025 M Tris + 0,192 M
glycin; pH pufru = 8,3
•
Dále se připraví elektrolyt, který se přidá do gelu během jeho přípravy: 2,25 M Tris + 0,17 M
HCl
Příprava gelu:
•
Pozor: akrylamid je neurotoxická látka – během manipulace je potřeba pracovat v rukavicích a
se zvýšenou opatrností!
•
V první řadě se pomocí připravených roztoků (viz chemikálie) připraví 8 % nativní PAGE gel
•
Postupně se do kádinky odpipetuje: 10,8 ml destilované vody, 4,8 ml pufru, 8 ml 30 %
akrylamidu, 6 ml 2 % bisakrylamidu a 100 µl TEMEDu
•
Do kádinky se vloží míchadlo a kádinka se umístí na elektromagnetickou míchačku
•
Připraví se forma na gel
•
Polymerace gelu se provede přidáním 240 µL 10 % roztoku persíranu amonného
•
Roztok se promíchá a nalije do připravené formy
•
Do gelu se vloží hřebínek - v gelu se pomocí něho vytvoří jamky sloužící jako prostor
pro nadávkování vzorků
•
Vyčká se na polymerizaci gelu (během této doby je vhodné provést přípravu vzorku
a potřebných roztoků – viz níže)
•
Po polymerizaci gelu se vyjme hřebínek
56
Příprava vzorku a roztoků:
•
Vzorek mléka není potřeba před analýzou zvlášť upravovat – je potřeba ho pouze 10 x a 100 x
naředit
•
Nezředěný i zředěné vzorky mléka se následně analyzují pomocí gelové elektroforézy
•
Připraví se standardní roztok α-laktalbuminu, který poslouží k jeho identifikaci ve vzorku
•
Dále se připraví roztok barviva Coomassie blue (vybarvovací roztok):
0,23 % Coomassie blue + 3,9 % trichloroctové kyseliny + 6 % kyseliny octové a 17 %
methanolu
•
Připraví se taktéž tzv. odbarvovací roztok obsahující: 18 % ethanolu + 8 % kyseliny octové
Analýza pomocí gelové elektroforézy:
•
Do jamek nadávkujeme vzorky spolu se standardem α-laktalbuminu
•
Vanu naplníme elektrolytem, vložíme do ní opatrně vytvořený gel a uzavřeme ji
•
Podle pokynů vedoucího cvičení provedeme nastavení přístroje
•
Analýzu necháme běžet 2 hodiny, poté gel vložíme na 1 hodinu do připraveného vybarvujícího
roztoku
•
Následně vložíme gel do odbarvovacího roztoku (2 x) – po odbarvení vyhodnotíme získaná
data
Vyhodnocení:
•
Vyhodnotíme skvrny náležícíα -laktalbuminu (identifikaci provedeme pomocí standarduα laktalbuminu)
•
Porovnáme odstíny nezředěného vzorku a vzorků zředěných, výsledek slovně okomentujeme
Slovní vyhodnocení získaných výsledků po analýze mléka pomocí gelové elektroforézy:
……………………………………………………………………………………………………………….………
………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………....................................……
57
1. Vysvětlete obecný princip gelové elektroforézy.
2. Vysvětli pojem separační technika. Uveď příklady technik, které do této skupiny můžeme
zařadit.
3. Uveďte, jaká další metoda by mohla být použita pro stanovení proteinů v mléce.
4. Je gelová elektroforéza vhodná pro separaci malých molekul? Odpověď zdůvodněte.
5. Je možné použít gelovou elektroforézu pro analýzu neutrálních látek?
6. Vysvětlete pojem izoelektrický bod.
7. Uveďte typy detekcí, které je možno použít po separaci pomocí gelové elektroforézy.
8. Vysvětlete pojem 2D-gelová elektroforéza.
9. Vyjmenujte základní rozdíly mezi gelovou elektroforézou a kapilární gelovou elektroforézou.
10. Uveďte základní složky (spolu s procentuelním zastoupením), které obsahuje kravské mléko.
11. Uveďte základní složky (spolu s procentuelním zastoupením), které obsahuje mateřské mléko.
12. Vyjmenujte potraviny bohaté na obsah proteinů.
1. Miller F.P., a kol.: Gel electrophoresis, Alphascript publishing, Mauritius, 2010.
2. Hawcroft D.M.: Electrophoresis, The Basics, IRL Press, Oxford, 1997.
3. B.D. Hames: Gel electrophoresis of proteins, A practical approach, IRL Press, Oxford, 1990.
4. Davídek J.: Laboratorní příručka analýzy potravin, Praha, 1977.
5. Nielsen S.S.: Food Analysis, Springer, New York, 2010.
7. Coultate T. P.: Food: The chemistry of its components, RCS Publishing, London, 2009.
58

Skriptum - Cvičení z aplikované analytické chemie

Transkript

Podobné dokumenty

Ropa

zde - Lékařská biofyzika

Část III

Přednáška 4_10

Zajímavé experimenty

Stanovení kyseliny pantotenové v lupíncích Corn flakes pomocí

PDF Katalog ke stažení

Doporučený postup poradenství při farmakoterapii u seniorů

III.

Příloha č. 5 - Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí

Uplatnění vápencové suroviny z hlediska kvality v různých

Preventivní konzervace - Projekt oblasti podpory OP VK

číslo 1, ročník 2011

manganometrie a jodometrie

EPD - Wiesner Hager