docZáklady analytické chemie
download 
Stížnost Transkript
Základy analytické chemie
Univerzita Jana Evangelisty Purkyn Fakulta životního prost edí Základy analytické chemie Ing. Sylvie K íženecká 2007 1 Obsah: ANALYTICKÁ CHEMIE - ÚVOD..................................................................................................................... 6 ROZD LENÍ ANALYTICKÝCH METOD....................................................................................................... 7 D LEŽITÉ POJMY V KVALITATIVNÍ A KVANTITATIVNÍ ANALÝZE................................................ 8 ODB R A ÚPRAVA VZORK .......................................................................................................................... 9 ODB R ................................................................................................................................................................ 9 VZORKOVÁNÍ OVZDUŠÍ ..................................................................................................................................... 11 Vzorkování vn jšího ovzduší........................................................................................................................ 11 ODB R KAPALNÝCH VZORK ............................................................................................................................ 12 Vzorkování povrchových vod....................................................................................................................... 13 Vzorkování odpadních vod .......................................................................................................................... 14 VZORKOVÁNÍ ODPAD ...................................................................................................................................... 14 UCHOVÁVÁNÍ ODEBRANÝCH VZORK ............................................................................................................... 15 ÚPRAVA VZORK ........................................................................................................................................... 15 P EVÁD NÍ ANORGANICKÝCH LÁTEK DO ROZTOKU .......................................................................................... 16 Rozpoušt ní v nereaktivních rozpoušt dlech ............................................................................................... 16 Rozpoušt ní v reaktivních rozpoušt dlech................................................................................................... 16 Jiné zp soby rozkladu.................................................................................................................................. 19 KVALITATIVNÍ ANORGANICKÁ ANALÝZA ............................................................................................ 20 SKUPINOVÉ REAKCE KATIONT ......................................................................................................................... 20 Reakce s kyselinou chlorovodíkovou ........................................................................................................... 20 Reakce s kyselinou sírovou .......................................................................................................................... 21 Reakce se sirovodíkem v kyselém prost edí................................................................................................. 21 Reakce se sulfidem amonným ...................................................................................................................... 21 Reakce s hydroxidy alkalických kov .......................................................................................................... 22 Reakce s vodným roztokem amoniaku ......................................................................................................... 22 Reakce s jodidem draselným........................................................................................................................ 23 Reakce s uhli itany alkalických kov .......................................................................................................... 23 Reakce s alkalickým fosfore nanem ............................................................................................................ 24 VYBRANÉ REAKCE ANIONT ............................................................................................................................. 24 ANALÝZA ORGANICKÝCH LÁTEK............................................................................................................ 26 ELEMENTÁRNÍ ANALÝZA............................................................................................................................ 26 STANOVENÍ UHLÍKU, VODÍKU, DUSÍKU, SÍRY A HALOGEN ............................................................................... 26 IDENTIFIKACE JEDNOTLIVÝCH SKUPIN ORGANICKÝCH LÁTEK ................................................. 27 NASYCENÉ ALIFATICKÉ UHLOVODÍKY .............................................................................................................. 27 NENASYCENÉ UHLOVODÍKY .............................................................................................................................. 27 D KAZ HYDROXYLOVÉ SKUPINY ...................................................................................................................... 28 D kaz alkohol ............................................................................................................................................ 28 D kaz fenol ................................................................................................................................................ 28 D KAZ KARBOXYLOVÉ SKUPINY ...................................................................................................................... 28 D KAZ AMIN .................................................................................................................................................. 28 VÁŽKOVÁ ANALÝZA - GRAVIMETRIE..................................................................................................... 29 SOU IN ROZPUSTNOSTI ..................................................................................................................................... 29 OBECNÝ POSTUP VÁŽKOVÉ ANALÝZY ............................................................................................................... 30 P ÍKLADY STANOVENÍ N KTERÝCH PRVK A SKUPIN ....................................................................................... 31 PROTOLYTICKÉ ROVNOVÁHY................................................................................................................... 32 ROVNOVÁŽNÉ KONSTANTY PROTOLYTICKÝCH REAKCÍ ..................................................................................... 33 ODM RNÁ ANALÝZA (TITRACE) ............................................................................................................... 35 VIZUÁLNÍ INDIKACE KONCE TITRACE ................................................................................................................ 35 2 Bezindikátorové zp soby ............................................................................................................................. 35 Za použití chemických indikátor ................................................................................................................ 36 INSTRUMENTÁLNÍ INDIKACE ............................................................................................................................. 37 Potenciometrická titrace.............................................................................................................................. 37 Konduktometrická titrace ............................................................................................................................ 37 Amperometrická titrace ............................................................................................................................... 37 Fotometrická titrace .................................................................................................................................... 38 TITRA NÍ K IVKA ............................................................................................................................................. 38 Titra ní k ivky acidobazických titrací ......................................................................................................... 39 P íklady acidobazických titra ních k ivek................................................................................................... 40 Acidobazická titrace vícesytné kyseliny....................................................................................................... 42 NEUTRALIZA NÍ TITRACE................................................................................................................................. 42 Acidimetrie .................................................................................................................................................. 42 Alkalimetrie ................................................................................................................................................. 43 CHELATOMETRIE .............................................................................................................................................. 43 ARGENTOMETRIE .............................................................................................................................................. 44 OXIDA N -REDUK NÍ TITRACE......................................................................................................................... 44 Manganometrie............................................................................................................................................ 44 Dichromatometrie........................................................................................................................................ 45 Bromatometrie............................................................................................................................................. 46 Jodometrie ................................................................................................................................................... 46 Titanometrie ................................................................................................................................................ 47 ELEKTROANALYTICKÉ METODY ............................................................................................................. 48 POTENCIOMETRIE .............................................................................................................................................. 48 Referentní elektrody..................................................................................................................................... 48 M rné (indika ní) elektrody ........................................................................................................................ 49 P ímá potenciometrie .................................................................................................................................. 50 Potenciometrická titrace.............................................................................................................................. 50 KONDUKTOMETRIE ........................................................................................................................................... 50 P ímá konduktometrie ................................................................................................................................. 51 ELEKTROGRAVIMETRIE ..................................................................................................................................... 51 COULOMETRIE .................................................................................................................................................. 52 Coulometrie za konstantního potenciálu (potenciostatická coulometrie).................................................... 52 Coulometrie za konstantního proudu (coulometrická titrace)..................................................................... 53 POLAROGRAFIE ................................................................................................................................................. 53 Polarizace elektrod...................................................................................................................................... 53 Klasická polarografie .................................................................................................................................. 55 Diferen ní pulzní polarografie .................................................................................................................... 55 Rozpoušt cí voltametrie (stripping analýza) ............................................................................................... 56 OPTICKÉ METODY ......................................................................................................................................... 57 ABSORPCE A EMISE ........................................................................................................................................... 57 ABSORP NÍ SPEKTROMETRIE (SPEKTROFOTOMETRIE) ................................................................. 58 ZDROJ ZÁ ENÍ U SPEKTROFOTOMETRIE ............................................................................................................. 60 DETEKTOR ........................................................................................................................................................ 60 POUŽITÍ ABSORP NÍ SPEKTROFOTOMETRIE ....................................................................................................... 60 ATOMOVÁ ABSORP NÍ SPEKTROMETRIE............................................................................................. 61 ZÁKLADNÍ SCHÉMA METODY: ........................................................................................................................... 61 PRINCIP ............................................................................................................................................................. 61 ZDROJE ZÁ ENÍ V AAS..................................................................................................................................... 61 Výbojka s dutou katodou.............................................................................................................................. 61 Bezelektrodové výbojky................................................................................................................................ 61 Superlampy.................................................................................................................................................. 62 ATOMIZÁTORY .................................................................................................................................................. 62 Plamenová atomizace .................................................................................................................................. 62 Elektrotermická atomizace .......................................................................................................................... 62 OPTICKÝ SYSTÉM .............................................................................................................................................. 63 3 DETEKTORY ...................................................................................................................................................... 63 ATOMOVÁ EMISNÍ SPEKTROMETRIE...................................................................................................... 64 ZÁKLADNÍ SCHÉMA METODY: ........................................................................................................................... 64 PRINCIP METODY ............................................................................................................................................... 64 BUDICÍ ZDROJE.................................................................................................................................................. 64 Jiskrový výboj .............................................................................................................................................. 64 Obloukový výboj .......................................................................................................................................... 64 Plazmový zdroj ............................................................................................................................................ 65 ANALYZÁTORY ................................................................................................................................................. 65 Optický spektrometr..................................................................................................................................... 65 Hmotnostní spektrometr (kvadrupólový analyzátor) ................................................................................... 65 CHROMATOGRAFIE....................................................................................................................................... 67 TEORIE SEPARACE ............................................................................................................................................. 67 PRINCIP CHROMATOGRAFICKÉ SEPARACE ......................................................................................................... 68 PLYNOVÁ CHROMATOGRAFIE (GC)......................................................................................................... 70 TEORIE GC........................................................................................................................................................ 70 USPO ÁDÁNÍ GC .............................................................................................................................................. 71 Mobilní fáze – nosný plyn............................................................................................................................ 71 Kolony ......................................................................................................................................................... 71 Detektory ..................................................................................................................................................... 73 KVALITATIVNÍ ANALÝZA .................................................................................................................................. 74 KVANTITATIVNÍ ANALÝZA ................................................................................................................................ 74 KAPALINOVÁ CHROMATOGRAFIE........................................................................................................... 74 TEORIE LLC...................................................................................................................................................... 75 Stacionární fáze ........................................................................................................................................... 75 Mobilní fáze................................................................................................................................................. 76 Separované složky ....................................................................................................................................... 76 TEORIE LSC...................................................................................................................................................... 77 Stacionární fáze ........................................................................................................................................... 77 Mobilní fáze................................................................................................................................................. 78 Separované složky ....................................................................................................................................... 78 INSTRUMENTACE PRO HPLC............................................................................................................................. 79 Spektrofotometrický (fotometrický) detektor ............................................................................................... 79 Fluorimetrický detektor ............................................................................................................................... 79 Voltametrický detektor................................................................................................................................. 80 OSTATNÍ CHROMATOGRAFICKÉ METODY ........................................................................................... 80 GELOVÁ PERMEA NÍ CHROMATOGRAFIE (GPC) ............................................................................................... 80 IONTOVÁ CHROMATOGRAFIE (IC) ..................................................................................................................... 80 CHROMATOGRAFIE NA TENKÉ VRSTV (TLC)................................................................................................... 82 CHEMICKÝ A FYZIKÁLNÍ ROZBOR VODY ............................................................................................. 83 PITNÁ VODA ...................................................................................................................................................... 83 POVRCHOVÁ VODA ........................................................................................................................................... 83 ODPADNÍ VODA ................................................................................................................................................. 83 STANOVENÍ JEDNOTLIVÝCH UKAZATEL VOD................................................................................................... 84 Senzorické vlastnosti vody ........................................................................................................................... 84 Souhrnné ukazatele jakosti vody.................................................................................................................. 85 Metody stanovení anorganických plyn ve vod ......................................................................................... 86 Metody stanovení kov ve vodách ............................................................................................................... 87 Metody stanovení anorganických aniont ve vodách .................................................................................. 89 ANALÝZA POLUTANT V OVZDUŠÍ .......................................................................................................... 90 SLOU ENINY SÍRY ............................................................................................................................................. 90 SO2 – oxid si i itý ........................................................................................................................................ 90 SO3 – oxid sírový ......................................................................................................................................... 91 4 H2S – sulfan ................................................................................................................................................. 92 SLOU ENINY DUSÍKU ........................................................................................................................................ 92 NOx – oxidy dusíku ...................................................................................................................................... 92 NH3 – amoniak ............................................................................................................................................ 93 CO – OXID UHELNATÝ....................................................................................................................................... 93 LEHKÉ UHLOVODÍKY (C1 AŽ C4) ....................................................................................................................... 94 POLYCYKLICKÉ AROMATICKÉ UHLOVODÍKY (PAU) ......................................................................................... 94 PRACHOVÉ ÁSTICE .......................................................................................................................................... 94 SLOU ENINY FLUORU ....................................................................................................................................... 94 ANALÝZA P D.................................................................................................................................................. 95 PRINCIPY CHEMICKÝCH ROZBOR ZEM D LSKÝCH P D ................................................................................... 95 Základní p dní parametry ........................................................................................................................... 95 Stanovení stopových živin............................................................................................................................ 96 Stanovení cizorodých látek .......................................................................................................................... 96 Stanovení oxidovatelného uhlíku ................................................................................................................. 97 Stanovení celkového dusíku ......................................................................................................................... 97 Stanovení potenciální kationtové vým nné kapacity.................................................................................... 97 ANALÝZA ODPAD ......................................................................................................................................... 98 VYHLÁŠKA . 383/2001 SB. MINISTERSTVA ŽIVOTNÍHO PROST EDÍ O PODROBNOSTECH NAKLÁDÁNÍ S ODPADY .......................................................................................................................................................................... 98 Hodnocení vyluhovatelnosti odpad ............................................................................................................ 98 P íprava a analýza vodného výluhu ............................................................................................................ 98 P íloha . 6 k vyhlášce . 383/2001 Sb. ....................................................................................................... 99 ZP SOBY M ENÍ NEZNÁMÝCH VZORK ........................................................................................... 100 ABSOLUTNÍ METODY ....................................................................................................................................... 100 RELATIVNÍ (SROVNÁVACÍ) METODY................................................................................................................ 100 Metoda kalibra ní k ivky........................................................................................................................... 101 Metoda standardního p ídavku.................................................................................................................. 102 VYHODNOCENÍ ANALYTICKÝCH M ENÍ .......................................................................................... 104 SPRÁVNOST A P ESNOST M ENÍ .................................................................................................................... 104 UVÁD NÍ VÝSLEDK M ENÍ .......................................................................................................................... 104 NEJISTOTA M ENÍ A PODSTATA JEJÍHO VYHODNOCENÍ .................................................................................. 105 5 Analytická chemie - úvod - v dní obor, zabývající se poskytováním informací o chemickém složení hmotných objekt . Využívá k tomu poznatk z obecné, anorganické i organické chemie, fyziky, biologie i matematiky. Souhrn všech prost edk , souvisejících se získáním informací, se ozna uje jako analytický systém. V rámci tohoto systému se realizuje analytický proces. Ten m žeme charakterizovat jako adu operací, které mají logicky podmín né po adí a tvo í informa ní et zec, na jehož za átku je objekt a na konci požadovaná informace. Obr. Schéma analytického systému ( ást ohrani ená p erušovanými arami p edstavuje analytický proces) D ležité je, aby úkol, který nez ídka zadávají neanalytici, byl správn formulovaný. Správná formulace analytického zadání je rozhodující pro získání optimálních informací v rozumném ase p i únosných ekonomických nákladech. Analytický experiment má 4 úrovn : a) princip experimentu, který zahrnuje jednotlivé disciplíny analytické chemie, vhodné k získání informace, jako jsou nap . spektroskopie, elektroanalýza apod. b) metoda experimentu, tj. p ístrojovou technikou definovaná užší oblast disciplíny, nap . atomová absorp ní spektrometrie, polarografie apod. c) analytický postup, který m žeme charakterizovat jako metodu použitou pro konkrétní typ materiálu, nap . stanovení Ca ve vod AAS, polarografické stanovení Cd v biologickém materiálu apod. d) pracovní návod, což je podrobn popsaný sled pokyn pro praktické provedení analytického postupu, nap . návod pro stanovení Ca AAS podle normy. Produktem analytického experimentu je analytický signál. Má v tšinou fyzikální charakter (hmotnost, objem, nap tí, proud, sv telný tok) a je zatížen tzv. šumem. Zdrojem šumu jsou náhodné jevy, jejichž p í inu asto nem žeme vysv tlit, m žeme je ale kvantifikovat. Abychom mohli u init záv r o p ítomnosti i nep ítomnosti ur ité složky ve vzorku, musíme nalézt takové podmínky, aby hodnota signálu p evyšovala hodnotu šumu. V kvantitativní analýze navíc musíme nalézt takový signál, který je závislý na obsahu i koncentraci složky ve vzorku. 6 Výsledkem analytického procesu je analytická informace, která se získá vztažením signálu ke všem fázím analytického procesu a je p edána zp t k zadavateli. Jestliže analytická informace slouží k ízení a kontrole technologického procesu, rozd lujeme používané metody na provozní, kontrolní a rozhod í. Provozní metody, používané p i každodenní kontrole výroby, musí být jednoduché a rychlé. P itom posta í taková spolehlivost výsledk , jaká zaru uje, že sledované parametry se udržují v mezích požadovaných technologickými p edpisy. Kontrolní metody, požadavky na spolehlivost jsou v tší, nebo výsledky analýz hodnotí kvalitu a rozhodují o cen suroviny nebo výrobku. Rozhod í analýzy, nep ísn jší požadavky na výsledek. Jimi nalezené výsledky jsou podkladem p i ešení odb ratelsko-dodavatelských spor . Rozd lení analytických metod 1. podle zp sobu vyhodnocení analytického signálu kvalitativní analýza – dokazujeme, ze kterých sou ástí (prvk , iont , skupin nebo slou enin) se analyzovaná látka skládá kvantitativní analýza – stanovujeme obsah p ítomných složek (g, %, ppm) tzv. koncentra ní závislost 2. podle povahy stanovované látky anorganická analýza (analýza všech prvk krom C) organická analýza (C, H, O, N) 3. podle zp sobu tvorby analytického signálu chemické – usuzuje se na p ítomnost a množství prvk nebo slou enin ve vzorku podle pr b hu chemických reakcí mezi ur ovanou látkou a látkou pomocnou, inidlem (odm rná analýza, gravimetrie) fyzikáln chemické a fyzikální (instrumentální) – k ur ení látek se používají p ístroje a za ízení, na jejich principu se však m že podílet i chemická reakce (potenciometrie, konduktometrie, spektrofotometrie) biochemické – využívají k ur ování látek mikroorganism , které chemicky m ní ur ovanou látku nebo jejichž innost ur ovaná látka ovliv uje 4. podle množství analyzované látky makroanalýza (10 až 0,1 g) semimikroanalýza (0,1 až 0,01 g) mikroanalýza (10 až 1 mg) ultramikroanalýza ( g a ng) 5. podle skupenství analýza plyn , kapalin, roztok a tuhých látek, pop . povrch tuhých látek 7 D ležité pojmy v kvalitativní a kvantitativní analýze D kaz – souvisí s ur ením druhu neboli kvality. Je založen na pozorování výsledku interakce ur ované složky (analytu) s vhodným inidlem (reagentem). inidlo – u chemické analýzy jím je pomocná látka nebo její roztok, která jednozna n reaguje s dokazovanou složkou p ítomnou ve vzorku. U metod fyzikální analýzy je inidlem ur itý druh energie (zá ivá energie). Stanovení – souvisí s ur ováním množství neboli kvantity sou ástí obsažených v analyzované látce. Identifikace – kvalitativní ur ení chemického individua nej ast ji v organické analýze pomocí standardu. Prvková (elementární) analýza – zjiš uje prvkové složení vzorku. Funk ní analýza – pomáhá nám stanovit nebo dokázat charakteristická seskupení atom v molekule, tzv. funk ní skupiny. Konstitu ní analýza – zabývá se ur ením strukturního vzorce bez ohledu na prostorové uspo ádání molekuly. Strukturní analýza – vedle konstituce zjiš uje i konfiguraci, pop . konformaci látky. Ve sm si složek m žeme chemické nebo fyzikální vlastnosti jednotlivé složky, projevující se p i interakci s inidlem, sledovat tím spolehliv ji, ím více se tato složka odlišuje od ostatních p ítomných složek, tj. ím v tší je selektivita zvolené metody. Z tohoto hlediska všeobecn rozlišujeme analytické metody selektivní (AAS) a neselektivní (konduktometrie). Podobn je tomu u metod založených na chemických reakcích, kde rozlišujeme metody i reakce skupinové, selektivní a specifické. Skupinové reakce – umož ují v kvalitativní analýze pomocí skupinových inidel dokazovat p ítomnost celé skupiny p íbuzných látek, pop . je odd lovat od ostatních složek analyzované sm si. Selektivní reakce – umož ují stanovit nebo dokázat jednu složku ve vymezené sm si jiných látek. Nap . v roztoku sm si kation Pb2+, Cd2+, Ni2+ a Zn2+ lze selektivn dokázat ion nikelnatý reakcí s roztokem amoniaku, protože v tomto p ípad jako jediný poskytuje mod e zbarvený amminkomplex. Specifická reakce - vhodnou úpravou reak ních podmínek nebo používaného za ízení se m že zvýšit selektivita reakce nebo metody tak, že se p iblížíme ideálu, kterým je specifická reakce (metoda). Ta umož uje stanovit ur itou látku v libovolné složité sm si, nap . reakce Ni2+ s diacetyldioximem (2, 3- butandiondioximem) p i pH>6 za vzniku málo rozpustného erven zbarveného komplexu. Mez detekce – nejmenší množství látky, které lze ur itou metodou zjistit. V kvantitativní analýze je mez detekce definována jako slepý pokus plus trojnásobek sm rodatné odchylky slepého pokusu. Tuto hodnotu ovliv uje složení matrice vzorku, istota používaných chemikálií nebo náhodné jevy jako jsou kolísání teploty a tlaku v laborato i, i kolísání elektrického nap tí v síti p i použití p ístroj . Mez stanovitelnosti – nejmenší množství látky, které m že být stanoveno s p ijatelnou úrovní opakovatelnosti a pravdivosti. Je definována jako hodnota koncentrace analytu plus desetinásobek sm rodatné odchylky slepého pokusu. Ozna uje se jím nejmenší množství látky, které je možné ur itým analytickým postupem stanovit. Citlivost metody – je sklon k ivky odezvy, lze jí vyjád it sm rnicí závislosti y = f (c). ím více se m ní m ená veli ina x se zm nou ur ované hmotnosti m nebo koncentrace c, tím v tší je citlivost analytického postupu. 8 Správnost – znamená shodu nalezeného výsledku stanovení se skute ným obsahem hledané složky. P esnost – znamená reprodukovatelnost opakovaných stanovení složky ve stejném vzorku. P esná metoda poskytuje výsledky o malém rozp tí. Rozp tí je rozdíl nejvyšší a nejnižší hodnoty ze série stanovení. Mírou p esnosti jsou opakovatelnost a reprodukovatelnost. P esnost je uvád na ve form sm rodatné odchylky nebo relativní sm rodatné odchylky. Opakovatelnost – poskytuje p edstavu o variabilit , kterou lze o ekávat, je-li metoda používána jedním analytikem na stejném p ístroji v krátkém asovém sledu. Reprodukovatelnost – pokud se vzorek analyzuje pro srovnání v n kolika laborato ích v delším asovém období, pak je ú eln jší mírou p esnosti reprodukovatelnost. Spolehlivost – charakterizuje m ení, která jsou správná a p esná. Nejistota – je to samostatný parametr (obvykle sm rodatná odchylka nebo konfiden ní interval), vyjad ující rozsah hodnot, které mohou odpovídat výsledku m ení. Odhad nejistoty m ení bere v úvahu všechny poznané vlivy, které ovliv ují výsledek m ení. Odb r a úprava vzork Odb r Má-li mít analýza praktický význam, musí být provedena na pr m rném nebo tzv. reprezentativním vzorku, který musí obsahovat všechny sou ásti, a to v takovém hmotnostním i objemovém pom ru, v jakém jsou v dané látce p ítomny. Z tohoto vzorku se p ipravuje analytický vzorek. Zp sob odebírání pr m rného vzorku je ur en platnými normami nebo je dán dohodou mezi p íjemcem a dodavatelem. Velikost vzorku není libovolná. P i ur ování zp sobu odb ru i velikosti vzorku musíme brát v úvahu tyto okolnosti: − pom rné zastoupení sledované složky ve vzorku (hlavní, vedlejší i stopová) − pracovní rozsah použité analytické metody − minimální látkové množství nebo hmotnost, které musí být k dispozici p i m ení s ohledem na mez detekce − typ materiálu (chemické složení matrice) a jeho homogenita P i rozhodování m že být volba postupu vzorkování ovlivn na homogenitou, stabilitou materiálu, požadavky na spolehlivost výsledných dat, na náklady na po ízení vzorku, bezpe nostními podmínkami vzorkování, dále dostupností a kvalitou odb rného za ízení, zp sobem je dekontaminace a zásadami pro jeho použití. Smyslem procesu vzorkování je definovat, ov ovat, pop . kontrolovat platnost ur itého tvrzení, p edpokladu apod. Vzorkování je operací, p i které získáváme informace o vzorkovaném celku pomocí výb ru charakteristik celku – vzork . Obecn lze uvažovat tyto základní cíle spojené se vzorkováním: – charakteristika jakosti – odb r vzork a zkoušky se provád jí, aby se na základ stanovení ur itého ukazatele definovaly vlastnosti daného objektu, používají se k zjišt ní jakosti, p ípadn v rámci výzkumného úkolu k ú el m dlouhodobé kontroly, nebo zjišt ní dlouhodobých trend – ízení jakosti - odb r vzork a zkoušky se provád jí, aby poskytovaly informace o vývoji posuzovaného jevu (sledování kontaminace podzemních vod, hodnocení ú innosti istírny odpadních vod) a na jejich základ jsou p ijímána 9 – odpovídající opat ení, používána místními orgány k rozhodnutí, zda je t eba uložit opat ení k náprav závadného stavu hledání souvislostí mezi jevy – odb r vzork a zkoušky se provád jí pro konkrétní specifické ú ely (vyhledávání p í iny výskytu daného znaku ve vzorkovaném celku), identifikace zdroj zne išt ní P ed zahájením procesu vzorkování je nezbytné definovat požadavky na jakost prací, konkrétní ú el vzorkování, odpovídající po et vzork umíst ných ve vhodném uspo ádání, pracovní postup p i odb ru vzorku, použití vhodných vzorkovnic a uchovávání vzorku. Z t chto informací se vypracuje Plán vzorkování, v n mž jsou detailn popsány a zd vodn ny jednotlivé kroky vzorkovacího procesu. Tabulka s doporu eným len ním Plánu vzorkování Tématické ásti plánu vzorkování Kapitoly plánu vzorkování Zadání podmínek vzorkování, popis Cíl, ú el prací obecných informací Informace o zájmové lokalit , o vzorkovaném objektu Popis postupu vzorkování Ur ení schématu vzorkování Hmotnost, p ípadn objem díl ího vzorku Typ vzorkova e a typ vzorkovnice Popis zp sobu odb ru díl ích vzork Postup úpravy vzork Velikost laboratorního vzorku Materiální zabezpe ení odb ru vzork Specifikace požadavk k zajišt ní jakosti a Opat ení k zajišt ní kvality vzorkování bezpe nosti vzorkování a následných Ur ení odpov dnosti za pr b h vzorkování a zkoušek personálního zabezpe ení vzorkování Výb r laborato e Ochrana zdraví a zásady bezpe nosti práce Realizace konkrétního odb ru vzork se obecn skládá ze t í fází: 1. p ípravná ást – seznámit se s plánem vzorkováním, vyhodnotit požadavky na pracovníky, za ízení a pom cky nutné pro odb r vzorku, provést kontrolu provozuschopnosti odb rového za ízení a jeho dekontaminace 2. vlastní odb r – je nezbytné, aby vzorkovací práce byly provád ny s v domím a souhlasem zadavatele. Pracovníci zajiš ující vzorkování musí mít nezbytná povolení ke vstupu. Odpov dný pracovník provád jící vzorkování ov í, zda podmínky vzorkování souhlasí se zadáním, ov í spln ní podmínek ochrany zdraví a bezpe nosti práce. V p ípad , že podmínky bezpe nosti práce a ochrany zdraví nejsou zajišt ny, práce nesmí zahájit. Vlastní odb r vzorku je provád n podle zpracovaného plánu vzorkování. Nezbytnou sou ástí odb ru vzorku je protokol o odb ru. Jeho náležitosti jsou popsány v technických normách. 3. uchování vzorku a transport do laborato e Protokol zahrnující výsledky vzorkování musí, pokud je to pot ebné pro interpretaci výsledk , obsahovat: – datum odb ru vzork – jednozna nou identifikaci vzorkované látky, matrice, materiálu nebo produktu 10 – – – – – místo odb ru vzork v etn p ípadných diagram , nákres nebo fotografií odkaz na použitý vzorkovací plán podrobnosti o podmínkách okolního prost edí, které by mohly ovlivnit interpretaci ur ení metody nebo postupu vzorkování p ípadnou normu nebo jinou specifikaci metody vzorkování a p ípadné odchylky, rozší ení nebo zúžení dokumentovaného postupu Odb r vzork musí provád t osoba zp sobilá po odborné, technické a zdravotní stránce pro odb r vzork . Vzorkování ovzduší Vzorkování vn jšího ovzduší Vn jším ovzduším se rozumí ovzduší v troposfé e, s výjimkou ovzduší na pracovištích ur ených zvláštním právním p edpisem a v uzav ených prostorách. Vzorek ovzduší je odebírán pomocí kontejneru automatického imisního monitoringu, kde vzorek ovzduší je sondou veden p ímo do analyzátoru a stanoven v tšinou pomocí elektrochemických metod. Dále se vzorky ovzduší analyzují pomocí manuálních nebo poloautomatických kontejner , kdy se stanovují základní škodliviny, t žké kovy a organické látky. Do této skupiny m ení pat í nejen suchá, ale i mokrá depozice a chemický rozbor srážek. Vzorek ovzduší se odebírá v p ípad manuálních stanic sklen ným manifoldem z borosilikátového skla, u ostatních vzorkova je odb r ízen odb rovým za ízením tak, jak vyžadují podmínky odb ru. Sklen ným manifoldem se v sou asné dob odebírají vzorky ke stanovení NO2 a SO2. V ekologicky istých oblastech (NP, CHKO…) se zavádí i vzorkování SO2, Nox a benzenu pomocí pasivních dozimetr . Jde o dopl ková m ení, která slouží k dlouhodobému sledování kvality ovzduší a jeho vývoje. Základním krokem pro odb r vzorku je výb r vzorkovacího místa. Ur uje jej nejen Na ízení vlády, ale i provozní ád imisní sít eského hydrometeorologického ústavu a n které další specielní požadavky jsou specifikovány ve vlastní metod odb ru a stanovení. Imisní zne išt ní ovzduší je vyjád eno hmotnostní koncentrací zne iš ující látky nebo stanovené skupiny zne iš ujících látek. Pro analýzu plyn a par jsou používány následující techniky: 1. záchyt do absorp ní kapaliny – používají se sklen né nebo plastové fritové absorbéry (promýva ky) r zného provedení nebo kapilární absorbéry (impingery) mnohdy zapojených do série v po tu dvou nebo i více kus . Nej ast jší objem je 100 a 250 ml a obvykle se plní 50 až 100 ml absorp ního roztoku. Odb rová rychlost se ídí metodou stanovení, p edpokládanou koncentrací i konstrukcí absorbéru a bývá obvykle 200 až 2000 ml.min-1. 2. záchyt adsorpcí – používají se sklen né trubice pln né sorbetem vhodným k adsorpci sledované látky. Nej ast ji se používá aktivní uhlí k záchytu t kavých organických látek od nepolárních až po st edn polární, polární sorbety k záchytu polycyklických aromatických uhlovodík atd. 3. záchyt chemisorpcí na upravené filtry – filtry (sklo, celulóza, teflon) se opat ují povlakem chemické látky k selektivní sorpci. 11 4. odb r do vzorkovnic – vzorkovnice jsou nej ast ji válcovité sklen né nádoby opat ené na obou protilehlých koncích jedno nebo vícecestnými ventily a dále septem. Slouží nej ast ji k odb ru vzork hlavních složek odpadních plyn o vyšším obsahu nevyžadujícím zkoncentrování k jejich následnému stanovení metodou plynové chromatografie. B žn mají objem od 100 do 2000 ml a plní se nej ast ji nasáváním pomocí erpadla. Poslední dobou se využívá plastových vak . Jejich výhodou je velký objem (až desítky litr ) umož ující p i ízené odb rové rychlosti odebírat pr m rné vzorky za delší vzorkovací dobu. Obr. Vzorkovací plynom rná pipeta Pro záchyt prachu a aerosolu se používá záchyt na filtry. Nejb žn jší je záchyt p i použití r zných filtra ních materiál : filtry ze sklen ných a k emenných mikrovláken, organických mikrovláken, estery celulózy, PVC, teflon…K separaci velikosti ástic slouží r zné cyklony, kaskádové impaktory, polyuretanové filtry apod. Nesmírn d ležitý je výb r držák filtr . Odb r kapalných vzork Kapalné vzorky se odebírají snadn ji než vzorky pevné. Vzorek kapaliny vytékající nap . z cisterny se odebírá vhodnou nádobou v pravidelných asových intervalech. Díl í vzorky se spojí, promíchají a odebere se asi ty litrový kone ný vzorek. V jiném p ípad se odebírá nep etržit trubi kami napojenými p ímo na hlavní výtokové potrubí. P i odebírání vzork z r zných míst nap . rybník , ek, se používá prázdných zatížených lahví, které se spustí do p íslušné hloubky. Tam se láhev opat ená vhodným za ízením otev e, po napln ní se op t uzav e a vytáhne se z kapaliny. Obr. Vzorkovací za ízení pro automatický odb r kapalných vzork 12 Vzorkování povrchových vod Vzorkováním povrchových vod se obecn rozumí soubor inností, jejichž cílem je odb r reprezenta ního podílu vodního útvaru, nebo jiné složky prost edí (vody, naplavenin, sedimentu, biologického materiálu) ke stanovení r zných p esn definovaných ukazatel jakosti. Krom odb r vzork vody se vzorkování povrchových vod týká také odb ru biologických a pevných materiál z vodního prost edí (odb ry pentosu, biosestonu, plavenin a sediment ). Každý z t chto odb r má adu specifických požadavk . Požadavky na vzorkování se liší podle charakteru povrchové vody. Základní rozd lení je: – vodní toky – tekoucí vody = eky, potoky, kanály – vodní nádrže – stojaté vody = jezera, p ehrady, rybníky – mo e a oceány – ledovce Místo odb ru Obecn platí, že složení vody v toku i nádrži je v r zných místech r zné. Platí to nejen v podélném, ale v tšinou i v p í ném profilu, u nádrží a u všech tok i vertikáln . Podle místních podmínek jsou zm ny pro r zné jakostní ukazatele r zn významné. Ur ení místa odb ru se liší pro toky a nádrže. Pro toky zpravidla požadujeme, aby místo odb ru reprezentovalo celý pr to ný profil. Pro odb r jsou vhodná místa s turbulentním proud ním. Vzorek se odebírá v proudnici v míst , kde protéká nejvíce vody. Zpravidla se odebírá jako hladinový (od hladiny do hloubky cca 30 cm). K odb ru jsou vhodné mosty, vorové propusti. Pokud se odebírá vzorek ze b ehu, je u širších tok nutno ur it b eh. U ek se volí místo, kde se proudnice blíží k b ehu. P i vzorkování nádrží rozhoduje krom velikosti nádrže i ú el vzorkování. Pro ú ely rekreace m že „posta ovat“ odb r vzorku u b ehu u pláže, pro ú ely odb ru vody odb r vzorku v míst odb ru. Pro hodnocení jakosti vody v nádrži nejsou odb ry ze b ehu reprezentativní. Používá se odb r z lod v podélném i p í ném profilu, bu to jako ada prostých vzork , nebo se vytvo í sm sné vzorky viz. poznámka. U hlubších nádrží se krom hladinového odebírají i hlubinné (zona ní) vzorky. Poznámka: Prostý vzorek – jednorázový nahodile odebraný vzorek. Sm sný vzorek – nep etržit odebírané (kontinuální) vzorky, které poskytují údaje o pr m rném složení. Požadavky na technické vybavení pro vzorkování vychází z požadovaného typu odb ru a požadavk laborato e na objem vzorku a rozsah analýz. K odb ru vzork slouží odb rové za ízení (vzorkova ) nebo lze vzorek odebrat p ímo do vzorkovnice. Hlavní požadavek na materiál vzorkova e je stejný jako u vzorkovnice – nesmí ovlivnit složení vzorku ve stanovovaných parametrech. Další požadavky kladené na vzorkova jsou spolehlivost, robustnost, snadná údržba (snadné išt ní) a obsluha (za r zných pov trnostních podmínek). Pro zona ní odb ry se používá hlubinný vzorkova , kterého jsou vyráb ny desítky typ . Podle toho, jestli prostor pro vzorek p ichází do styku s vodou b hem ponoru do ur ené hloubky, se d lí na proplachované a neproplachované. Neproplachované vzorkova e se pono í uzav ené a otev ou se v ur ené hloubce. Pracují na principu vyt sn ní vzduchu, rozpínání komory nebo nasátí vody pístem v ur ené hloubce. St ny vzorkova e, které jsou ve styku se vzorkem, nep išly do styku s vrstvami vody nad vzorkem. 13 Proplachované vzorkova e se pono í otev ené a v ur ené hloubce se zav ou (trhnutím nebo spušt ním závaží). Prostor pro vzorek prochází od hladiny po ur enou hloubku celým vodním sloupcem. Tím m že dojít ke kontaminaci vzorku vodním filmem na hladin nebo látkami ve vodním sloupci nad vzorkem. Další možností odb ru vzork z hloubky je použití erpadla. Vzorkování odpadních vod Vzorkování odpadních vod a kal pat í mezi velmi frekventovanou innost provád nou vodohospodá skými laborato emi, p ípadn jinými subjekty. Sledováním jakosti vod se zabývají jak jejich producenti a technologové istíren odpadních vod, tak kontrolní orgány. Cílem odb ru odpadních vod bývá obvykle zjišt ní koncentrace vybraných ukazatel v ur itém asovém intervalu, nebo její okamžitá hodnota v ase, vždy v ur itém míst . Tyto hodnoty slouží bu k ov ování ú innosti išt ní odpadních vod, k ízení procesu išt ní nebo ke kontrole dodržování povolených limit . Ke vzorkování odpadních vod se používají stejná vzorkovací za ízení a vzorkovnice jako k odb ru povrchových vod. Vzorkování odpad Vzorkování odpad se ídí provád cími vyhláškami zákona . 185/2001 Sb. O odpadech a o zm n n kterých dalších zákon a metodickými pokyny MŽP. Na po átku hodnocení nebezpe ných vlastností odpad pat ily mezi nejvíce vzorkované odpady popílky ze spalování uhlí a slévárenské písky. V sou asné dob mezi nej ast ji vzorkované odpady m žeme za adit kaly z nejr zn jších istíren odpadních vod, zeminy a sut z demolic, popeloviny ze spaloven odpad a sedimenty z rybník a ostatních nádrží. Obecn platí, že pokud se odebírá vzorek, který reprezentuje produkci za ur ité asové období, m lo by se up ednost ovat vzorkování v pohybu (dynamické) p ed vzorkováním v klidu (statické). Popílky ze spalování uhlí Slévárenské písky Kaly z istíren odpadních vod Zeminy a sut Popeloviny ze spaloven odpad Sedimenty z rybník Odb r vzork odpad pro hodnocení jejich vyluhovatelnosti a stanovení obsahu škodlivin v sušin se musí zásadn provád t tak, aby odebrané vzorky byly reprezentativní pro celé množství posuzovaného materiálu. P itom je t eba p ihlédnou k homogenit a konzistenci vzorkovaného odpadu. Hmotnost laboratorního vzorku by m la init alespo 2 kg. P i velkých dodávkách se vzorky odebírají mechanicky nebo ru n , a to p i nakládání nebo p i vykládání materiálu. Z transportního pásu se bere vzorek v pravidelných intervalech v celé ší i pásu. 14 Z hrub kusového nebo nestejnorodého materiálu se odebere vzorek, který odpovídá 1 až 2 % z celkového množství. Z homogenního drobn kusovitého, pop . zrnitého nebo práškového materiálu se odebírá vzorek v množství asi 0,1%. Z práškového materiálu se odebírají vzorky jednoduchým zp sobem. Je-li materiál uložen na hromadách, použije se vzorkova e, kterým m že být i trubice o pr m ru 5 cm, dlouhá až 1,5 m, která se zaráží do r zných míst hromady až ke dnu a obsah se vždy vyklepne na rovnou vzorkovací desku. Obr. Vzorkova sypkých materiál Uchovávání odebraných vzork Odebrané vzorky se nej ast ji uchovávají ve sklen ných, kovových nebo plastových dob e uzavíratelných obalech. Obal nesmí kontaminovat vzorky (nap . vyluhování skla alkalickými kapalinami, korozí kovových obal ). N které typy vzork nelze uchovávat neomezen dlouhou dobu, nebo se jejich vlastnosti mohou asem m nit. Typickým p íkladem jsou vzorky vod, u nichž je stanovení n kterých ukazatel nutné v co nejkratší dob po odb ru. Zvláštní pozornost je t eba v novat i možné sorpci zejména stopových složek v kapalných vzorcích na st nách nádob. Úprava vzork Zp sob úpravy vzorku k analýze záleží na požadované informaci a použité analytické metod . Požaduje-li se informace o složení povrchu, vzorek se analyzuje bez jakékoliv úpravy. N kdy je pot eba vzorek p evést do roztoku bez chemických zm n použitím nereaktivních rozpoušt del nebo za pomocí chemických zm n reaktivními rozpoušt dly. P ed vlastním rozkladem v tšinou musíme tuhý vzorek kvartovat, drtit, prosívat. Po t chto úpravách získáme analytický vzorek, který m žeme snadn ji rozkládat. Mezi mechanické úpravy pat í: drcení, mletí, roztírání. Drcení nej ast ji provádíme v Plattnerov hmoždí i. K mletí se používají laboratorní kulové mlýny a pro roztírání t ecí misky, které mohou být porcelánové, ocelové i achátové. Kv li kontaminaci musíme zvážit použití jednotlivých pom cek (nap . z drti s elistmi z manganové oceli se vzorek kontaminuje manganem, z achátové misky se dostává do vzorku oxid k emi itý apod.). 15 Obr. Kvartace Obr. Plattner v hmoždí a achátová t ecí miska P evád ní anorganických látek do roztoku Podle povahy analyzovaného materiálu se analyticky upravený vzorek rozpustí za chladu nebo za zvýšené teploty ve vod , v kyselinách, zásadách, pop . v roztocích solí. Pokud se vzorek v t chto inidlech nerozpouští, rozkládá se tavením s vhodnými p ísadami, tzv. tavidly, která jej p evád jí na slou eniny rozpustné ve vod nebo v kyselinách. Rozpoušt ní v nereaktivních rozpoušt dlech Ve vod se rozpouští ada anorganických i organických látek iontové povahy (p edevším solí) nebo látek polárních. Slab polární nebo nepolární organické látky se rozpoušt jí v široké škále organických rozpoušt del r zné polarity podle pravidla „podobné rozpouští se v podobném“. Nej ast ji používanými rozpoušt dly jsou nižší alkoholy, diethylether, aceton, dioxan, chloroform, tetrachlormethan nebo kapalné alifatické i aromatické uhlovodíky. Rozpoušt ní v reaktivních rozpoušt dlech a) kyselinami a hydroxidy b) tavením c) jiné zp soby rozkladu 16 Rozklady kyselinami a hydroxidy 1. Kyselina chlorovodíková Používá se nej ast ji k rozkladu vzork , jež nevyžadují p ítomnost oxidovadla. Výhodou je snadná odpa itelnost a rozpustnost vzniklých chlorid ve vod . Rozpouští se v ní kovy, které mají záporný redoxní potenciál (Zn, Cd, Fe), dále slitiny Fe s Co, Ni a soli slabých kyselin (boritany, fosfore nany, uhli itany aj.), hydrolytické produkty (SbOCl, BiOCl), karbonátové horniny a rudy (vápenec, dolomit, ocelek), rudy oxidické (kov Fe, Mn…). Dále n které silikáty a slitiny kov s malým obsahem As, Sb a P. M II + 2H + → M 2+ + H 2 M 3II X 2 + 6 H + → 2 XH 3 + 3M 2+ 2. Kyselina fluorovodíková Kyselinou fluorovodíkovou se rozkládají všechny silikáty (za p ítomnosti jiných kyselin H2SO4, HNO3 nebo HClO4) za uvoln ní plynného SiF4: SiO2 + 4 HF → SiF4 + 2 H 2 O Kyselina sírová váže vznikající vodu, a tím zamezuje hydrolýze SiF4 a posunuje rovnováhu reakce doprava. 3. Kyselina sírová Z ed ná se chová podobn jako HCl. Používá se k rozpoušt ní mén ušlechtilých kov , solí slabých kyselin a hydrolytických produkt . Koncentrovaná má již v tší oxida ní ú inky a slouží k rozpoušt ní ušlechtilejších kov a jejich slitin. 4. Kyselina dusi ná Z ed ná a zejména koncentrovaná kyselina dusi ná má silné oxida ní ú inky, jichž se využívá p i rozkladech, kdy je oxidace žádoucí. Slouží p edevším k rozpoušt ní v tšiny kov (mimo Au a platinových kov ), slitin Bi, Cd, Cu, Pb, Fe-Mn, Fe-P, jakož i rud Cu, Mo, Co, Ni aj. N které kovy (Al, Cr, Fe) se koncentrovanou kyselinou pasivují. 3M II + 2 NO3− + 8 H + → 3M 2+ + 2 NO + 4 H 2 O 5. Kyselina chloristá Z ed ná má jen slabé oxida ní ú inky, a tak m že p i rozkladu nahradit z ed nou HCl nebo H2SO4. Koncentrovaná kyselina (asi 72% ní) je však za zvýšené teploty silným oxidovadlem. Používá se k r zným oxida ním rozklad m, nap . k rozpoušt ní oceli p i stanovení Cr, Si, V, P, pro rozklad kovových karbid . Rozklady kyselinou chloristou jsou výhodné, protože v tšina kovových chloristan je velmi dob e rozpustná ve vod . Práce s koncentrovanou kyselinou vyžaduje ale velkou opatrnost, nebo p i nesprávném zacházení m že dojít k prudkým výbuch m. 17 6. Ostatní kyseliny a jejich sm si HBr + Br2 – rozklad slitin Fe-Mo, Fe-Si HCl + Br2 – rozklad kov , slitin a sulfidické rudy s malým obsahem síry Lu avka královská, tj. sm s HCl a HNO3 (3+1) nebo obrácená lu avka – rozklad ušlechtilých kov , jako je Au, Hg, kov platinové skupiny a jejich slitin, dále rud Hg. W a také sulfidických rud, fosfid , arsenid a kovových antimonit . 3 − Au + Cl 2 + HCl → [AuCl ] + H + 2 Hg + 2 NOCl → HgCl 2 + 2 NO [ M 3II Sb2 + 8Cl 2 + 8Cl − → 3 M II Cl 4 ] − + 2[SbCl 6 ] − 7. Roztok alkalického hydroxidu Používá se zejména k rozkladu lehkých slitin (Al, Zn, Si a Mg) ve form 35%ního roztoku NaOH nebo KOH. Uvedené kovy p echázejí na rozpustné hlinitany, zine natany apod. Ale ho ík spolu s p ítomnými t žkými kovy poskytne nerozpustný hydroxid. 2 Al + 2OH − + 6 H 2 O → 2[ Al (OH ) 4 ] + 3H 2 − Mg + 2 H 2 O → Mg (OH ) 2 + H 2 Rozklady tavením K rozkladu na suché cest , tj. k tavení nebo slinování vzorku s tuhými inidly, p istupujeme tehdy, nem žeme-li vzorek rozložit inidly na mokré cest . Jednotlivé složky vzorku se p evád jí na slou eniny, které jsou již rozpustné ve vod nebo ve z ed ných kyselinách. 1. Alkalické tavení a) karbonátové – tavidlem je bezvodý Na2CO3 nebo sm s Na2CO3 + K2CO3. Slouží k rozkladu k emi itan , síran , pop . ke konverzi jiných nerozpustných solí. M II SiO3 + Na 2 CO3 → M II CO3 + Na 2 SiO3 b) s alkalickým hydroxidem – nej ast ji se používá NaOH nebo KOH. Hydroxidové tavení je ú inn jší než karbonátové. Slouží k rozkladu oxidickýck rud Sb, Sn, Zr atd. c) síroalkalické – jako tavidlo se používá sm s Na2CO3 a síry v takovém pom ru, aby vznikl alkalický polysulfid (1:1). Tímto tavením se rozkládají slou eniny a rudy cínu, antimonu a arsenu, jejichž sulfidy poskytují tavením rozpustné polysulfidy. 4 Na 2 CO3 + 10 S → 3 Na 2 S 3 + Na 2 SO4 + 4CO2 2 Sb + 4 Na 2 CO3 + 9 S → 2 Na 3 SbS 4 + Na 2 SO4 + 4CO2 d) alkalicko-oxida ní – tavidlem je sm s Na2CO3 (K2CO3) + KNO3 (KClO3) nebo NaOH + Na2O2, které je jedním z nejú inn jších zp sob rozkladu minerál . 18 2. Kyselé tavení a) disíranové – tavidlem je K2S2O7, pop . KHSO4, který po zah átí nad teplotu tání p echází na disíran. Dalším zvýšením teploty se uvolní SO3, který p evádí oxidy typu MO, M2O3 a MO2 na rozpustné sírany. Používá se i k rozkladu hlinitan , spinel , rud obsahující Cu, Ni, Ti apod. Tavenina se vyluhuje horkou vodou. TiO2 + 2 K 2 S 2 O7 → Ti ( SO4 ) 2 + 2 K 2 SO4 b) s oxidem boritým, pop . kyselinou boritou nebo tetraboritanem sodným – vhodné pro rozklad korundu, n kterých aluminosilikát , email , písk apod. P i rozkladu silikát se jako tavidlo asto používá sm s tetraboritanu s uhli itanem sodným. Jiné zp soby rozkladu 1. Slinování (sintrace) – analyzovaný vzorek se rozkládá menším množstvím tavidla p i teplot , která je pod jeho teplotou tání. P itom dochází ke konverzi a vzniklou sm s lze snadno rozložit kyselinou. Vhodné p i rozkladu silikát . Vzorek se žíhá ve sm si CaCO3 a NH4Cl. 2. Rozklad v proudu plynu – není tak b žný. K práci se používá kyslík a chlor. Uhlík se spalováním v proudu O2 p evede na CO2, S na SO2. Pro rozklad se používá za ízení, které kvantitativn zachycuje reak ní zplodiny. Vzorek obsahující prvky, které poskytují t kavé chloridy, lze rozkládat za zvýšené teploty suchým plynným chlorem (As, Sb, Sn, Se, Te, Ge, Hg, Bi, Ti, V, S, Mo, W). 3. Tlakové rozklady – s kyselinami za zvýšeného tlaku. Probíhají nej ast ji v ocelových nebo hliníkových autoklávech. M žeme tak do roztoku p evést i materiály, které se za normálního tlaku kyselinami nerozkládají. Slouží k rozkladu korundu, silikát , slitin drahých kov . Jako rozkladná kyselina se nej ast ji používá HCl, HF, pop . jejich sm si s HNO3 nebo H2SO4. 4. Mikrovlnné rozklady – slouží k rozkladu rozli ných vzork za zvýšených teplot, nej ast ji k rozkladu organických a biologických materiál . Energie nutná k oh evu vzorku se dodává prost ednictvím mikrovlnného zá ení. Mikrovlnné rozklady lze provád t v otev ených i v uzav ených systémech. V p ípad rozkladu v uzav eném systému probíhá rozklad ve speciální nádobce zhotovené z vysoce odolného plastu (teflon) za zvýšeného tlaku. Energie mikrovlnného zá ení se p em ní na tepelnou energii, která oh ívá vzorek. Moderní mikrovlnné pece umož ují sou asný rozklad minimáln 10 vzork , kterými se v pr b hu rozkladného programu otá í. Rozkládat lze rozli né vzorky p írodního p vodu i syntetické materiály. S oblibou se rozkládají (mineralizují) biologické vzorky (krev, krevní plazma, vlasy, rostlinné i živo išné tkán , houby). Mikrovlnné rozklady se provád jí v p ítomnosti silných minerálních kyselin a oxida ních inidel (HNO3, HCl, HF, H2O2). Rozkladný program je vhodné rozd lit do n kolika fází. Intenzitu mikrovlnného zá ení je nutné zvyšovat postupn , aby se zabránilo bou livému pr b hu dekompozi ní reakce a p ípadné explozi. Produktem úsp šného mikrovlnného rozkladu (mineralizace) je irý, homogenní roztok. 19 Obr. Mineralizátor s fokusovaným mikrovlnným polem a mikrovlnná pec pro kyselinové tlakové rozklady Kvalitativní anorganická analýza Skupinové reakce kationt Kationty se d lí do p ti analytických t íd: I. analytická t ída – Ag+, Pb2+, Tl+ a Hg22+ II. analytická t ída – a) Pb2+, Cu2+, Cd2+, Bi3+, Hg2+ b) Sn2+, Sn4+, Sb3+, Sb5+, As3+, As5+ III. analytická t ída – Zn2+, Ni2+, Mn2+, Al3+, Cr3+, Fe2+, Fe3+, Co2+ IV. analytická t ída – Ba2+, Ca2+, Sr2+ V. analytická t ída – Li+, Na+, Mg2+, NH4+, K+ Skupinová inidla I. analytická t II. analytická t III. analytická t IV. analytická t V. analytická t ída – HCl (1+2) ída – H2S (Na2S+H+) ída – (NH4)2S ída – (NH4)2CO3 nasycený roztok ída – nemá Reakce s kyselinou chlorovodíkovou Z b žných kationt se z ed nou HCl sráží jen ionty Ag+, Pb2+, Tl+ a Hg22+, které poskytují bílé sraženiny chlorid , nerozpustné ve z ed ných kyselinách. Pouze PbCl2 je rozpustný za horka ve vod . Ag+ + ClAgCl 2+ Hg2 + 2Cl Hg2Cl2 TlCl Tl+ + ClPb2 + 2 ClPbCl2 20 Reakce s kyselinou sírovou Z ed nou kyselinou sírovou se srážejí bílé sraženiny síran CaSO4, SrSO4, PbSO4, BaSO4. Jejich rozpustnost v ad klesá. Málo rozpustné jsou také Ag2SO4 a Hg2SO4, které se vylu ují jako bílé sraženiny rozpustné za horka ve vod . Ca2+ + SO42Sr2+ + SO42Pb2+ + SO42Ba2+ + SO42- CaSO4 SrSO4 PbSO4 BaSO4 Reakce se sirovodíkem v kyselém prost edí Z prost edí z ed né kyseliny chlorovodíkové se sirovodíkem srážejí tyto sulfidy Ag2S, HgS, PbS, CuS ( erné), CdS (žlutý), Bi2S3 (tmav hn dý), SnS (hn dý), SnS2 (špinav žlutý), As2S3, As2S5 (žluté), Sb2S3, Sb2S5 (oranžové). 2Ag+ + S2Ag2S Hg22+ + S2HgS + Hg0 ( 2HgI HgII + Hg0 ) 2+ 2Cu + S CuS Zn2+ + S2ZnS CdS Cd2+ + S2Hg2+ + S2HgS Sn2+ + S2SnS Pb2+ + S2PbS 3PbS + 8HNO3 3PbSO4 + 8NO + 4H2O 3+ 2As2S3 2As + 3S As2S3 + 3Na2S 2Na3AsS3 3+ 22Sb + 3S Sb2S3 2Bi3+ + 3S2Bi2S3 Sn4+ + 2S2SnS2 As2S5 2As5+ + 5S2As2S5 + 3Na2S 2Na3AsS4 V roztocích polysulfid amonných se rozpoušt jí sulfidy SnS, SnS2, As2S3, As2S5, Sb2S3, Sb2S5 a áste n CuS za vzniku rozpustných thiokomplex . Protože polysulfidy mají oxida ní ú inky, dochází p i rozpoušt ní k oxidaci SnII, AsIII a SbIII na SnIV, AsV a SbV. Okyselením roztok thiokomplex vznikají op t sraženiny sulfid . Reakce se sulfidem amonným V neutrálním až slab zásaditém prost edí se roztokem sulfidu amonného srážejí vedle sulfid kov , vylu ujících se p i srážení s H2S, také FeS, Fe2S3, CoS, NiS ( erné), MnS (r žový) a ZnS (bílý). V d sledku protolytické reakce sulfidových iont jsou v roztoku p ítomny ionty OH- a proto se sou asn s uvedenými sulfidy srážejí málo rozpustné hydroxidy Al(OH)3 (bílý) a Cr(OH)3 (zelený). Mn2+ + S2Fe2+ + S2Co2+ + S2Ni2+ + S2Zn2+ + S2- MnS FeS CoS NiS ZnS 21 2Cr3+ + 3S2- + 6H2O 2Cr(OH)3 + 3H2S 2Fe3+ + 3S2Fe2S3 Fe2S3 + 6HCl 2FeCl3 + 3H2S (Fe2S3 2Al3+ + 3S2- + 6H2O 2Al(OH)3 + 3H2S S + FeS) Reakce s hydroxidy alkalických kov S výjimkou kov alkalických zemin, arsenu a iont alkalických kov poskytují b žné kationty s roztokem hydroxidu málo rozpustné slou eniny. 2Ag+ + 2OHAg2O + H2O Hg22+ +2 OHHgO + Hg + H2O (2HgI HgII + Hg0) 2+ + Mg + 2OH Mg(OH)2 za nep ítomnosti NH4 Mn2+ + 2OHMn(OH)2 2Mn(OH)2 + O2 2MnO(OH)2 2+ Fe + 2OH Fe(OH)2 4Fe(OH)2 + O2 4FeO(OH) + 2H2O (O20 + 4FeII 4FeIII 2O-II) 2+ Co + 2OH Co(OH)2 Ni2+ + 2OHNi(OH)2 Cu(OH)2 Cu2+ + 2OHCu(OH)2 CuO + H2O Cd2+ + 2OHCd(OH)2 Hg2+ + 2OHHgO + H2O Fe(OH)3 Fe3+ + 3OHAl3+ + 3OHAl(OH)3 Al(OH)3 + NaOH Na[Al(OH)4] 3+ Bi + 3OH Bi(OH)3 Reakce s vodným roztokem amoniaku inidlo sráží stejné kationty jako roztok alkalického hydroxidu, protože však obsahuje i molekuly NH3, vznikají krom málo rozpustných hydroxid také amminkomplexy. V p ebytku roztoku amoniaku se rozpoušt jí sraženiny hydroxid jako AgI, CdII, HgII, ZnII (bezbarvé), CuII, NiII (modré), CoII, CrIII (r žové) a CoIII ( ervené). NH3 + H2O NH4+ + OH- 2Ag+ + 2OHAg2O + H2O + AgCl + 2NH4 [Ag(NH3)2]Cl + 2H+ [Ag(NH3)2]Cl + 2HNO3 AgCl + 2NH4NO3 2+ Co + 6NH3 [Co(NH3)6]2+ Ni2+ + 6NH3 [Ni(NH3)6]2+ 2+ Cu + 4NH3 [Cu(NH3)4]2+ Zn2+ + 4NH3 [Zn(NH3)4]2+ 2+ Cd + 6NH3 [Cd(NH3)6]2+ Hg2Cl2 + 2NH3 Hg2NH2Cl + NH4Cl Hg2NH2Cl HgNH2Cl + Hg HgNH2Cl + NH4Cl [Hg(NH3)2]Cl2 Sn2 + 2OHSn(OH)2 Pb(OH)2 Pb2+ + 2OHCr3+ + 6NH3 [Cr(NH3)6]3+ 22 Fe3+ + 3OHFe(OH)3 Al3+ + 3OHAl(OH)3 3+ Sb + 3OH Sb(OH)3 BiCl3 + 2NH4OH BiOCl + 2NH4Cl + H2O 4+ Sn + 4OH Sn(OH)4 Reakce s jodidem draselným Roztok alkalického jodidu sráží kationty Ag+, Pb2+ (žlutý), Hg22+, Hg2+ (žlutozelený), Cu a Bi3+ ( ernohn dý) za vzniku málo rozpustných jodid . Hg2+, Bi3+ se snadno rozpouští v p ebytku jodidu za vzniku jodokomplex . Obtížn ji se rozpouští Ag+ a Pb2+. 2+ Ag+ + IAgI Hg22+ + 2IHg2I2 Hg2I2 + 2I [HgI4]2- + Hg 2Cu2+ + 4I2CuI + I2 2+ Hg + 2I HgI2 HgI2 + 2I[HgI4]2PbI2 Pb2+ + 2IPbI2 + 2I[PbI4]2Bi3+ + 3IBiI3 BiI3 + I[BiI4]- 2HgI HgII + Hg0 2I- + 2CuII I2 + 2CuI Reakce s uhli itany alkalických kov Alkalické uhli itany podléhají ve vod protolytickým reakcím CO32- + H2O ⇔ HCO3- + OHHCO3- + H2O ⇔ H2CO3 + OHRoztokem alkalického uhli itanu se srážejí všechny kationty s výjimkou arsenitých solí, kationtu amonného a samoz ejm kationt alkalických kov . P i srážení dvojmocných kationt vznikají nap . MCO3 . x M(OH)3. Sraženiny FeCO3 a MnCO3 se oxidují vzdušným kyslíkem na Fe(OH)3 a MnO2 . x H2O. Suspenze CuCO3 a Ag2CO3 se p i zah ívání rozkládají na p íslušné oxidy. CuCO3 CuO + CO2 Rtu natá s l poskytuje sraženinu HgCO3 . x HgO, sraženina rtu né soli disproporcinuje za vzniku elementární rtuti. Trojmocné a ty mocné kationty (BiIII, AlIII, CrIII, FeIII, SbIII, SnIV a SnII), jejichž hydroxidy jsou velmi málo rozpustné, poskytují p i srážení p evážn zásadité uhli itany nebo hydroxidy, obecn 2 M3+ + 3 CO32- + 3 H2O 2 M(OH)3 + 3 CO2 V p ebytku uhli itanu se áste n rozpoušt jí sraženiny amfoterních prvk (PbII, ZnII, Sb , SnII,IV, AlIII, CrIII) na hydroxokomplexy. P sobením CO2 p echázejí uhli itany na rozpustné hydrogenuhli itany. Varem roztok hydrogenuhli itan vznikají op t sraženiny uhli itan . III,V 23 Reakce s alkalickým fosfore nanem Fosfore nany a hydrogenfosfore nany (s výjimkou alkalických a amonného) jsou ve vod velmi málo rozpustné, dihydrogenfosfore nany jsou rozpustné. P i srážení vznikají amorfní sraženiny nap . MI3PO4, MII3(PO4)2, MIIIPO4, MIIHPO4. Za p ítomnosti amonných solí tvo í dvojmocné ionty n kterých prvk (Cd, Cu, Zn, Mn, Ni, Co, Mg) krystalické sraženiny podvojných fosfore nan obecného vzorce MIINH4PO4 . x H2O. Ve z ed ných minerálních kyselinách se sraženiny fosfore nan rozpušt jí s výjimkou BiPO4 a Sn3(PO4)4. V koncentrovaném roztoku amoniaku se rozpušt jí fosfore nany kov tvo ících stabilní amminkomplexy (Ag, Cu, Cd, Co, Ni, Zn). V koncentrovaném roztoku alkalického hydroxidu jsou rozpustné fosfore nany amfoterních prvk (Pb, Zn, Sn, Sb, Al, CrIII) za vzniku hydroxokomplex . MIIHPO4 (M = Ca, Sr, Ba) bílé sraženiny M + HPO42MHPO4 Ca2+ + HPO42CaHPO4 (M = Li bílá sr., M = Ag žlutá sr.) 3M+ + HPO42M3PO4 + H+ (M = Ba, Sr, Ca) bílé sraž. M3(PO4)2 + 2NH4+ 3M2+ + 2HPO42- + 2NH3 (M = Mn, Zn, Pb bílá sr., Ni zelená sr.) 3M2+ + 2HPO42M3(PO4)2 + 2H+ (M = Mg bílá sr.) 2+ Mg + HPO42- + NH3 MgNH4PO4 (M= Fe, Al, Bi bílé sr., Cr zelená sr.) MPO4 + H+ 2+ M3IPO4 M3II(PO4)2 MIINH4PO4 MIIIPO4 M3+ + HPO42- Vybrané reakce aniont CO32-: uhli itany mohou být p ítomny pouze v zásaditých roztocích. Po p ídavku H2SO4 se uvolní CO2, který se jímá do roztoku hydroxidu barnatého, s nímž poskytne bílou sraženinu BaCO3. SO42-: z roztoku okyseleného z ed nou HCl se za p ítomnosti síranových iont vylu uje p ídavkem roztoku BaCl2, bílá sraženina BaSO4. SO32-: odbarvují modrý roztok Voto kova nep ítomnosti sulfid a polysulfid . inidla (fuchsin a malachitová zele ) za S2-: reakce s pentakyano-nitrosylželezitanem sodným (nitroprusid sodný) v siln alkalickém prost edí, vzniká fialov zbarvený rozpustný komplex. Okyselením roztoku obsahujícího sulfidy se uvol uje páchnoucí jedovatý sirovodík. PO43-: po okyselení reagují s tzv. molybdenovou solucí, tj. roztokem molybdenanu amonného v HNO3, kdy vzniká žlutá sraženina tetrakis(trimolybdato)-fosfore nanu amonného. PO43− + 12 MoO42− + 3 NH 4+ + 24 H + → ( NH 4 )3 [P(Mo3 O10 )4 ] + 12 H 2 O Cl-: srážení AgCl roztokem AgNO3. 24 Br-: reakcí s chlorovou vodou p echázejí na elementární brom, který roztok zbarvuje žlut až žlutohn d . I-: v prost edí kyseliny octové se oxidují na jod. Vzniklý jod lze extrahovat do chloroformu, kde se rozpouští za vzniku fialových roztok . NO2-: d kaz je založen na diazotaci aromatického aminu kyselinou dusitou a kopulaci vzniklé diazoniové soli s aminem nebo fenolem na ervenofialové azobarvivo. Jako inidlo se používá roztok kyseliny 4-aminobenzensulfonové a N-(1-naftyl)-ethylendiaminu v CH3COOH. Obr. Azobarvivo NO3-: dokazujeme je nep ímo po jejich redukci na dusitany kovovým zinkem v prost edí kyseliny octové. NO3− + Zn + 2 H + → NO2− + Zn 2+ + H 2 O 25 Analýza organických látek Elementární analýza Stanovení uhlíku, vodíku, dusíku, síry a halogen K d kazu prvk v org. analýze se používají oxida ní nebo reduk ní metody. Nejsme-li si jisti, zda jde o látku organickou i anorganickou, provedeme nejjednodušší zkoušku – spálení látky v plameni. Tavení se sodíkem (Lassaigneova zkouška) – látka se taví se sodíkem a dochází k rozkladu látky. Uhlík se áste n vylu uje, dusík p echází v p ítomnosti uhlíku na kyanid sodný, síra na sulfid sodný a halogen na halogenid sodný. P ebyte ný sodík se rozloží vodou a v získaném siln alkalickém roztoku hledáme jednotlivé anionty. Dusík se p evádí na Berlínskou mod . Síra se dokazuje s nitroprusidem sodným (Na2[Fe(NO)(CN)5]) za vzniku 26 fialového zbarvení. Halogeny se dokazují po okyselení HNO3 srážením na p íslušný halogenid st íbrný. Rozklad v proudu plynu – látka se zah ívá na platinové lodi ce v proudu kyslíku nebo vzduch a její páry se vedou vrstvou CuO, na n mž se dokonale oxidují na CO2 a H2O. Voda a oxid uhli itý se zachycují v aparátcích umíst ných za trubicí a p ír stek hmotnosti pak odpovídá adsorbovanému množství. Voda se zachycuje na vrstv chloristanu ho e natého, oxid uhli itý na vrstv natronového azbestu. Je-li v organické látce p ítomen dusík, oxidy dusíku se zachytí v aparátku napln ném oxidem mangani itým. D kaz vodíku – p i spálení látky na vzduchu ve sklen né trubi ce se na chladných ástech trubi ka orosí. Stanovení dusíku – odvážená látka se smísí s práškovým CuO a na platinové lodi ce se vpraví do spalovací trubice, která je napln na drátkovým CuO. Zah íváním se uvolní oxidy dusíku (ty se redukují na vrstv rozžhavené m di na dusík) a elementární dusík, který se vede do plynom rné byrety (azometru), napln ného 40%ním roztokem NaOH. Oxid uhli itý, pop . voda se pohltí a objem vzniklého elementárního dusíku se zm í. Dalším stanovením je metoda Kjeldahlova, která je založena na oxida ní mineralizaci látky varem s koncentrovanou kyselinou sírovou za p ítomnosti katalyzátoru (Cu2+ a Hg2+) a síranu draselného. P i kjeldahlizaci p echází dusík na síran amonný, který po zalkalizování sm si uvolní amoniak, jenž se s vodní parou kvantitativn p edestiluje do p edlohy s odm rným roztokem kyseliny a stanoví titra n . Stanovení halogen – látka obsahující halogeny je rozložena termicky za p ítomnosti oxidu m natého. Vzniklý halogenid barví nesvítivý plamen zelen až mod e. Stanovení se nehodí pro F-, tvo í net kavý CuF2. Stanovení halogen a síry – v atmosfé e kyslíku se v uzav ené ba ce vzorek spálí a zreaguje s alkalickým roztokem peroxidu vodíku za vzniku alkalického halogenu. Síra obsažená v organické látce se p evede na síran a stanoví se gravimetricky nebo titra n . Identifikace jednotlivých skupin organických látek Nasycené alifatické uhlovodíky Neposkytují charakteristické reakce, jsou tém nereaktivní. Ze sm si se d lí sm sí kyseliny fosfore né a koncentrované kyseliny sírové. Je to zp sobeno malou polaritou vazeb v uhlovodících. Pro d kaz uhlovodík sta í elementární analýza a skute nost, že látka neabsorbuje ultrafialové zá ení. Uhlovodíky ve sm si lze identifikovat pouze plynovou chromatografií. Nenasycené uhlovodíky Redukují roztok manganistanu, odbarvují ho a také odbarvují brom. U uhlovodíku dochází k adici na násobnou vazbu. Olefinické uhlovodíky poskytují adi ní reakci s Karasovým inidlem (2,4-dinitrobenzensulfenylchlorid) za vzniku krystalických chlorosulfid . 3 R − CH = CH − R + 8 KMnO4 → 6 RCOOK + 2 KOH + 8 MnO2 + 2 H 2O CH 2 = CH 2 + Br2 → Br − CH 2 − CH 2 − Br 27 Acetylen a jeho monosubstituované deriváty reagují s ionty t žkých kov za vzniku acetylid . N které z t chto slou enin jsou nestabilní a snadno explodují. Známá je reakce s Ilosvayovým inidlem. Alkiny, které mají na trojné vazb vodík (typu CH≡C-R) poskytují s amoniakálním roztokem síranu m natého odbarveným hydroxylaminem ervenožluté, ervenofialové až hn dé sraženiny acetylidu m ného. Aromatické uhlovodíky – neodbarvují ani brom ani manganistan. Rozpoušt jí se v koncentrované kyselin sírové, nesubstituované v oleu. Klasifika ní reakce, které vedou k d kazu aromatických uhlovodík m žeme rozd lit na substitu ní reakce (nitrace, sulfochlorace, acylace), na adi ní reakce (tvorba π-komplex u vícejaderných uhlovodík ) a na oxida ní reakce. D kaz hydroxylové skupiny Hydroxoderiváty mají možnost iontového št pení vazeb a podle podmínek se mohou chovat bu jako kyseliny, nebo jako zásady. U aromatických uhlovodík dochází ke snadn jšímu št pení vazby C-O iontovými inidly na rozdíl od alifatických uhlovodík . D kaz alkohol Xantogenová reakce – v tšina primárních a sekundárních alkohol a n které alkoholy terciární reagují se sirouhlíkem a hydroxidem sodným za tvorby alkylxanthogenan sodných (NaS-CS-OC2H5), které jsou ve vod rozpustné. D kaz fenol Reakce s chloridem železitým – k roztoku fenolu p idáme vodný roztok FeCl3. Fenol se zbarví fialov , pyrokatechin (kresol) zelen , kyselina salicylová erven apod. Millonova reakce – Millonovo inidlo (Hg(NO3)2 + HNO3) se smísí s fenoly. Ty poskytují s jednosytnými fenoly ervené zabarvení. D kaz karboxylové skupiny Rozpouští-li se látka ve vod , pak roztok reaguje kysele na barevné acidobazické indikátory. U nerozpustných látek sta í ervené zabarvení lakmusového papírku. Jiný d kaz p ítomnosti karboxylu v látce spo ívá v rozkladu uhli itanu sodného. Dále srážení st íbrnou, olovnatou a barnatou solí ve vod nebo v ethanolu. R − COOH + H 2O ↔ R − COO − + H 3O + D kaz amin Reakce s kyselinou dusitou – primární aromatické aminy reagují s HNO2 za vzniku diazoniových solí, které v alkalickém prost edí dávají azobarvivo. Sekundární alifatické aminy reagují s kyselinou za vzniku nitrosaminu. Nitrosaminy jsou v tšinou ve vod nerozpustné a vylu ují se p i reakci jako žlutý olej. Sekundární aromatické aminy reagují obdobn . Terciární alifatické i aromatické aminy, stejn jako kvarterní amoniové soli, s kyselinou nereagují. 28 Vážková analýza - gravimetrie Je založena na kvantitativním vylou ení stanovované složky z roztoku ve form málo rozpustné slou eniny, která se sušením nebo žíháním p evede na chemicky definovaný produkt, který se váží. Vylou ená sraženina se nazývá vylu ovací forma, p esn definovaný produkt získaný po sušení nebo žíhání se nazývá forma k vážení (vyvážka) a z její hmotnosti se vypo ítává obsah stanovované složky. N kdy je vylu ovací forma sou asn i formou k vážení (nap . AgCl, BaSO4, n které komplexní slou eniny kovových iont s organickými inidly…). Vážková analýza má nejv tší význam jako jedna z nejspolehliv jších metod stanovení p i kontrolních a srovnávacích analýzách, p i validaci (ov ování správnosti) nových analytických metod a p i analýze standard . Pat í mezi definitní metody, tj. metody, u kterých má výsledek p ímou návaznost k n které základní jednotce SI soustavy. P i vážkové analýze využíváme jen takových srážecích reakcí, p i nichž vznikají málo rozpustné a dob e zpracovatelné sraženiny. Podle tvaru ástic rozlišujeme sraženiny krystalické a amorfní. Vhodn jší jsou krystalické, které se lépe filtrují a bývají istší. Vlastnosti sraženin jsou závislé nejen na jejich chemickém složení, ale i na podmínkách vylu ování. Velikost vznikajících ástic sraženiny je závislá na rychlosti, jakou se sraženina vylu uje. ím je rychlost vylu ování menší, tím v tší ástice vznikají. Rychlost vylu ování je p ímo úm rná relativnímu p esycení roztoku. P esycení bude tím menší, ím pomaleji zvyšujeme koncentraci srážedla. Velikost ástic závisí i na p vodní koncentraci vylu ované složky v roztoku. Platí, že pro vylu ování hrubších sraženin nesmí být roztoky velmi z ed né ani naopak p íliš koncentrované. Rozpustn jší látky poskytují obvykle v tší ástice. St ední velikost ástic sraženiny se zv tšuje s dobou, po kterou se sraženina ponechá ve styku s mate ným roztokem. Protože p evážná ást analyticky využívaných reakcí probíhá mezi ionty ve vodných roztocích, budeme se dále zabývat pouze srážecími rovnováhami ve vodném prost edí. Sou in rozpustnosti P i rozpoušt ní tuhého elektrolytu AxBy ve vod se ustavuje heterogenní rovnováha mezi tuhou fází (s indexem s) a ionty v roztoku (A B ) x y s ↔ x A y+ + y B x− Za daných podmínek vznikne asem nasycený roztok a v n m má rovnováha dynamický charakter, tj. ionty p echázející z krystalové m ížky tuhé fáze do roztoku jsou nahrazovány ionty p echázejícími z roztoku zp t do krystalové m ížky tuhé fáze. Dynamickou rovnováhu charakterizuje rovnovážná konstanta K= ( ) ( ) a x A y+ . a y B x− a (Ax B y )s Jestliže uvážíme, že aktivita isté tuhé látky je podle definice jednotková, nabude výraz pro rovnovážnou konstantu tvaru K s = a x (A y + ). a y (B x − ) 29 Veli ina Ks se nazývá sou in rozpustnosti. Nahradíme-li aktivity relativními rovnovážnými koncentracemi, dostaneme (K s )c [ ] . [B ] = A y+ x x− y kde (Ks)c je koncentra ní sou in rozpustnosti. Jestliže roztoky málo rozpustných látek jsou velmi z ed né, blíží se aktivní koeficienty k jednotce a potom platí (Ks)c = Ks. Sou in rozpustnosti je významná veli ina, která umož uje výpo et rozpustnosti látky za r zných podmínek, tj. v isté vod , za p ítomnosti p ebytku n kterého z iont tvo ících sraženinu, za p ítomnosti cizích iont , p i r zném pH apod. Obecný postup vážkové analýzy 1. 2. 3. 4. 5. p evedení vzorku do roztoku srážení filtrace a promývání sušení a žíhání výpo et 1. 2. 3. 4. Analyzovaný vzorek p evedeme do roztoku a úpravou reak ních podmínek (objemu, teploty, pH) zajistíme optimální pr b h následující srážecí reakce. Pro vylou ení stanovované složky z roztoku používáme obvykle vodných roztok inidel. U organických inidel špatn rozpustných ve vod používáme jejich roztok v organických rozpoušt dlech mísitelných s vodou nej ast ji s ethanolem. Srážecím inidlem m že být i látka plynná, nap . H2S, CO2 apod., kterou uvádíme plynule do reak ní sm si až do nasycení. Po kvantitativním vylou ení necháme vzniklou sraženinu ur itou dobu zrát a poté ji odd líme od mate ného roztoku filtrací. K filtraci používáme r zné druhy kvantitativních papírových filtr , které po spálení zanechávají zanedbatelné množství popelovin a mají definovatelnou hustotu. Krystalické sraženiny se n kdy filtrují pomocí porcelánových filtra ních kelímk nebo pomocí sklen ných frit. Po odfiltrování je t eba sraženinu (filtra ní kolá ) zbavit zbytk mate ného roztoku a stržených rozpustných látek promýváním vodou nebo ast ji roztokem vhodného elektrolytu. Promývání je nutné opakovat. Odfiltrovanou a promytou sraženinu p evádíme sušením nebo žíháním na formu k vážení. Sušením rozumíme odstra ování t kavé kapaliny 30 (v tšinou vodu, org. látky) p i teplotách mírn nad její teplotu varu (105 – 120 °C), p i kterém zpravidla nedochází k chemických zm nám sraženiny. K žíhání sraženin, které probíhá obvykle p i teplotách 400 – 1200 °C na vzduchu nebo v proudu plynu, se používají porcelánové, k emenné nebo platinové kelímky. Sraženina se p ed žíháním nejprve vysuší a pokud bylo k filtraci použito papíru, ten se zvolna spálí zah íváním kahanem tak, aby nedošlo k jeho ho ení. Teprve potom je možno žíhání dokon it v plameni nebo v elektrické peci p i pot ebné teplot . P i žíhání dochází asto k chemickým zm nám sraženiny. Sraženiny se suší nebo žíhají do konstantní hmotnosti. Hmotnost sraženiny se p i dalším vážení smí lišit nejvýše o 0,3 mg. Množství stanovované látky se pak vypo te z navážky vzorku, z hmotnosti vyžíhaného vzorku a pomocí gravimetrického faktoru. Hodnotu gravimetrického faktoru (fg) m žeme vypo ítat nebo vyhledat v tabulkách. fg = M hl M iz ws = mv f g 100 mn [%] Mhl – molární hmotnost hledané látky Miz – molární hmotnost izolované látky mv – hmotnost vyvážky mn – hmotnost navážky P íklady stanovení n kterých prvk a skupin Stanovení Ag: st íbrné ionty se z okyseleného vzorku za horka sráží jako bílý AgCl p ídavkem kyseliny chlorovodíkové. AgCl je i výsledným produktem po žíhání. Stanovení Fe: železité ionty se za horka sráží amoniakem. Vzniká rezav hn dá sraženina hydroxidu železitého, která je žíháním p evedena na oxid železitý. Stanovení Ni: nikelnaté ionty se sráží ve slab amoniakálním prost edí roztokem diacetyldioximu v ethanolu za vzniku purpurov ervené sraženiny nikldiacetyldioximu. Vzorek se pouze suší a poté váží. Stanovení Mg: ho e naté ionty se sráží za horka hydrogenfosfore nanem amonným v prost edí amoniaku jako bílá sraženina fosfore nanu ho e nato – amonného, který se žíhá na Mg2P2O7. Stanovení Ca: vápenaté ionty se sráží za horka š avelanem amonným jako š avelan vápenatý, který se žíhá na oxid. Stanovení síran : sírany se sráží za horka v p ítomnosti HCl roztokem chloridu barnatého za vzniku bílé sraženiny BaSO4, který je i výsledným produktem po žíhání. Stanovení fosfore nan : fosfore nanové ionty se sráží ho e natou solucí. Další postup je stejný jako u stanovení Mg. Stanovení chlorid : chloridové ionty se sráží za chladu roztokem AgNO3. 31 Protolytické rovnováhy Rovnováhy v roztocích, kterých se ú astní vodíkové kationty, se nazývají protolytické rovnováhy. T chto rovnováh se ú astní jak kyseliny, tak zásady. Kyseliny jsou látky schopné odšt povat protony a zásady jsou látky schopné protony p ijímat. Kyseliny jsou tedy donory proton , zásady akceptory proton . Kyseliny a zásady se souhrnn nazývají protolyty. Protolytem m že být nejen molekula, ale i ion. Dvojice látek, lišících se pouze o jeden proton, se nazývá konjugovaný pár. P íslušnou rovnováhu m žeme vyjád it rovnicí HCl + NH 3 ↔ NH 4+ + Cl − Protolytických rovnováh se vždy ú astní sou asn kyselina i zásada a proto se jim také íká acidobazické rovnováhy. Protolytických rovnováh v roztocích se ú astní i polární rozpoušt dla, která mohou vystupovat ve funkci kyseliny i zásady. Pokud roztok obsahuje pouze kyselinu a rozpoušt dlo SH schopné p ijmout proton, m žeme psát HB + SH ↔ B − + SH 2+ Analogicky zásada s rozpoušt dlem SH + B − ↔ S − + HB Rozpoušt dla d líme na: 1. rozpoušt dla aprotická – nemohou protony ani odšt povat ani p ijímat 2. rozpoušt dla aprotogenní – mohou protony jen p ijímat pomocí volného elektronového páru 3. rozpoušt dla amfiprotní – mohou protony p ijímat i odšt povat, podle toho zda látka je siln jší i slabší kyselina Nejd ležit jším amfiprotním rozpoušt dlem je voda. Podléhá autoprotolýze 2 H 2 O ↔ H 3 O + + OH − za vzniku hydroxoniového (oxoniového) iontu H3O+ a hydroxidového iontu OH-. Rovnovážná konstanta autoprotolytické reakce je ( ) ( a H 3 O + . a OH − K= a 2 (H 2 O ) ) Zahrneme – li hodnotu a2 (H2O), která je p i velkém nadbytku molekul vody konstantní, do hodnoty K, dostaneme konstantu nazývanou iontový sou in vody: ( ) ( K v = a H 3O + . a OH − ) P i teplot 25 °C má hodnotu Kv = 1,008 . 10-14. Autoprotolýzou vody vzniká stejné množství iont H3O+ jako OH-, takže v isté vod platí, že a (H3O+) = a (OH-). 32 ( ) ( K v = a 2 H 3O + = a 2 OH − ) ( ) ( ) a H 3O + = a OH − = K v = 1.10 −7 Z praktických d vod bylo zavedeno vyjad ování malých íselných hodnot veli in pomocí záporných dekadických logaritm , tedy ( pH = − log a H 3 O + ) ( ) pOH = − log a OH − pK v = pH + pOH pH = pOH = 7 pK v = − log K v ( pro vodu a 25 C ) istou vodu nebo roztoky, ve kterých platí a (H3O+) = a (OH-), ozna ujeme jako neutrální. Z hodnoty iontového sou inu vody vyplývá, že rozsah tzv. absolutní stupnice pH je 0 až 14. Bude-li ve vod rozpušt na látka HB snadn ji odšt pující protony než voda, vzroste množství hydroxoniových iontu v roztoku. Naopak bude-li ve vod rozpušt na látka B snadn ji p ijímající protony než vody, vzroste množství hydroxidových iont v roztoku. Takže pokud je a (H3O+) > a (OH-), je pH < 7 a roztok je kyselý. Obrácen pokud a (H3O+) < a (OH-), je pH > 7 a roztok je zásaditý. Rovnovážné konstanty protolytických reakcí Rovnovážnou konstantu protolytické reakce kyseliny HB B− + H + HB ⇔ nazýváme absolutní konstanta acidity: k a (HB ) = ( ) ( ) a H + .a B− a (HB ) její p evrácená hodnota je absolutní konstanta bazicity: ( ) kb B − = a (HB ) a H + .a B − ( ) ( ) Tyto absolutní konstanty nem žeme experimentáln zjistit, protože proton nem že v roztoku samostatn existovat. Co však zjistíme, je rovnovážná konstanta reakce HB + SH ⇔ B − + SH 2 + tj. reakce kyseliny v p ítomnosti rozpoušt dla ( + ) ( ) a SH 2 . a B − K (HB ) = a (HB ). a (SH ) Zahrneme-li v rovnici hodnotu a(SH), která je p i velkém nadbytku molekul SH konstantní, do hodnoty K(HB), dostaneme konstantu nazývanou disocia ní konstanta kyseliny HB 33 K a (HB ) = ( + ) ( ) a SH 2 . a B − a (HB ) Analogicky m žeme získat vztah pro disocia ní konstantu zásady B − + SH ⇔ HB + S − ( ) Kb B− = Pro vodné prost edí platí ( ) ( ) a (HB ). a S − a B− ( ) K a (HB ). K b B − = K v Z tohoto vztahu vyplývá, že známe-li hodnotu disocia ní konstanty kyseliny, m žeme za pomoci iontového sou inu rozpoušt dla (vody) vypo ítat disocia ní konstantu konjugované zásady. Z tohoto d vodu jsou nej ast ji tabelovány pouze disocia ní konstanty kyselin. 34 Odm rná analýza (titrace) Stanovení látek založené na m ení objemu roztoku inidla práv pot ebného k úplnému zreagování stanovované složky v analyzovaném roztoku, tj. k dosažení bodu ekvivalence. Známe-li p esnou koncentraci roztoku inidla (tzv. titr), m žeme na základ stechiometrie reakce vypo ítat množství nebo koncentraci stanovované složky. Dosažení bodu ekvivalence se zjiš uje vhodnou indikací, která m že být založena bu na subjektivním pozorování zm n v roztoku (vizuální indikace) nebo na objektivním m ení ur ité vlastnosti roztoku (instrumentální indikace). Chemické reakce, které je možno využít p i odm rné analýze, by m ly spl ovat tyto požadavky: − reakce inidla se stanovovanou složkou musí probíhat jednozna n podle známé stechiometrie, inidlo nesmí reagovat sou asn s více složkami analyzovaného roztoku − reakce musí probíhat kvantitativn , tj. rovnováha musí být zcela posunuta ve sm ru tvorby reak ních produkt − použitá reakce má být dostate n rychlá, dosažení rovnováhy by m lo být limitováno pouze mícháním − b hem reakce má docházet ke zm nám t ch vlastností, které jsou snadno indikovatelné, zm ny musí být zvlášt výrazné v okolí bodu ekvivalence Metody odm rné analýzy d líme podle povahy chemických reakcí, na kterých jsou založené, do ty skupin: 1. acidobazické titrace 1. komplexotvorné 2. srážecí oxida n -reduk ní 3. Jestliže se konec titrace zjiš uje instrumentální indikací, potom se zp sob indikace uvádí jako p ívlastek v názvu titrace: potenciometrická, konduktometrická, fotometrická titrace. Odm rné metody jsou nejrozší en jšími metodami analýzy roztok , zejména anorganických látek. B žn se využívají jako provozní a kontrolní metody v mnoha výrobních odv tvích. Nezbytnou podmínkou odm rného stanovení je správné ur ení konce titrace, tj. stavu, p i kterém ukon íme p idávání titra ního inidla a který má koincidovat s bodem ekvivalence. Jak už bylo uvedeno, rozd lujeme zp soby indikace na vizuální a instrumentální. Vizuální indikace konce titrace P i vizuální indikaci využíváme výrazných zm n vzhledu roztoku zp sobených bu p em nou samotných reagujících látek nebo p em nou pomocných látek p idávaných do roztoku, chemických indikátor . Bezindikátorové zp soby Nejznám jší z bezindikátorových zp sob indikace se využívá p i titracích odm rným roztokem manganistanu, který p i malých koncentracích intenzivn fialov zbarvuje roztok. P i titracích v kyselém prost edí se inidlo redukuje na bezbarvé ionty manganaté, dokud je v roztoku stanovované redukovalo. Ukon ení reakce je indikováno prvním p ebytkem inidla, 35 které zbarví titrovaný roztok r žovo-fialov . Na podobném principu m žeme indikovat konec titrace také u n kterých metod cerimetrických nebo jodometrických, kde využíváme žlutého zbarvení p ebyte né ceri ité soli (ceritá s l je ve z ed ném roztoku prakticky bezbarvá) nebo roztoku jodu (roztok jodidu je rovn ž bezbarvý). Bez použití indikátor lze zjistit konec titrace také u srážecích titrací halogenid , kdy vzniká zakalený koloidní roztok. Postupujeme-li po dostate n malých p ídavcích, dojde po mírném p ekro ení bodu ekvivalence ke z etelnému vy e ení roztoku, sraženina ztratí koloidní charakter a koaguluje do v tších ástic usazující se suspenze. Za použití chemických indikátor Jako indikátory se používají látky stejného typu. Rozeznáváme tedy indikátory: acidobazické – jsou to slabé organické kyseliny nebo zásady, charakterizované protolytickou rovnováhou HInd ⇔ H + + Ind − K HInd = [H ]. [Ind ] + − [HInd ] Funk ní oblast acidobazických indikátor , jejichž kyselá forma se liší zbarvením od zásadité formy, nezávisí na celkové koncentraci indikátoru. Methyloranž – zásaditý indikátor, funk ní oblast pH je 3,1 až 4,5. V p ebytku kyseliny p echází na ervenor žové zbarvení z cibulov žluté. Methyl erve – zásaditý indikátor, funk ní oblast pH je 4,4 až 6,3. V p ebytku kyseliny p echází na ervené zbarvení ze žluté. Fenolftalein – kyselý indikátor, funk ní oblast pH je 8,0 až 9,8. V p ebytku NaOH p echází z bezbarvé na fialové zbarvení. metalochromní – komplex se stanovovaným iontem kovu je odlišn zbarvený od iontu volného indikátoru (eriochromová er T – p echází z fialové na modrou, xylenolová oranž – z ervené i fialové na žlutou, murexid – ze žluté i ervené na fialovou) srážecích titrací – tvo í s titra ním inidlem barevné sraženiny pop . rozpustné barevné komplexy nebo mohou v d sledku adsorpce na ásticích sraženiny i naopak desorpce zp sobovat zm nu zbarvení sraženiny nebo roztoku v bod ekvivalence redoxní – redukovaná forma je barevn odlišná od oxidované formy (benzidin, difenylamin, methylenová mod – všechny p echází z bezbarvé na modrou). Jejich rovnováha Ind ox + z e − ⇔ Ind red závisí na hodnot elektrodového potenciálu: of E = E Ind − [Ind red ] 0,059 log z [Ind ox ] Indikátory, které mohou p echázet plynule z oxidované formy na redukovanou a naopak, nazýváme vratné indikátory. Krom nich se používají i nevratné. 36 Instrumentální indikace P i instrumentálních indikacích sledujeme pr b h titra ních k ivek m ením zm n vhodných veli in, které se podle pot eby p evád jí na zm ny elektrického signálu. Potenciometrická titrace Protože podle Nernstovy rovnice potenciál obecn závisí na koncentracích iont v roztoku, m žeme m ením potenciálu pomocí vhodné indika ní elektrody sledovat i další veli iny odvozené od koncentrací, tj. pH, pM, pX apod. a indikovat tak pr b h všech typ titrací. P i potenciometrické indikaci se do titrovaného roztoku pono í referentní elektroda a vhodná indika ní elektroda a pomocí potenciometru se m í elektromotorické nap tí lánku v závislosti na p idaném množství titra ního inidla. Konduktometrická titrace Konduktometrická (vodivostní) indikace konce titrace se s výhodou využívá p i titracích, kdy vznikají málo disociované nebo málo rozpustné produkty. Je to p evážn p i acidobazických titracích, kdy vzniká málo disociovaná voda, p íp. p i chelatometrických a srážecích titracích. Vodivost roztok je p ímo úm rná koncentraci iont , které jsou v roztoku p ítomny. K titraci se používají co nejkoncentrovan jší roztoky titra ních inidel, aby se zabránilo deformaci lineární závislosti z e ováním titrovaného roztoku. Konec titrace se ur uje podle zlomu na titra ní k ivce. Amperometrická titrace Amperometrická indikace konce titrace se v praxi používá zejména p i komplexotvorných, srážecích a oxida n -reduk ních titracích. Podmínkou je, že alespo jedna ze složek, které se ú astní reakce, musí být elektroaktivní. Pomocí dvojice elektrod umíst ných do titrovaného roztoku se sledují zm ny difúzního proudu procházejícího obvodem p i ur itém vloženém konstantním nap tí v závislosti na vytitrovaném podílu. Obr. Biamperometrické titra ní k ivky a) stanovovaná látka je sou ástí vratného a inidlo nevratného redoxního systému b) stanovovaná látka je sou ástí nevratného a inidlo nevratného redoxního systému c) stanovovaná látka i inidlo jsou sou ástí vratného redoxního systému 37 Fotometrická titrace Z hlediska principu je fotometrická indikace konce titrace blízká vizuální indikaci. Místo subjektivního pozorování se pr b h titrace sleduje pomocí objektivního m ení zm ny absorbance titrovaného roztoku p i vhodné vlnové délce v závislosti na vytitrovaném podílu nebo objemu p idaného titra ního inidla. V praxi se fotometrická indikace nejvíce používá p i acidobazických a chelatometrických titracích. Podle Lambert-Beerova zákona je absorbance p ímo úm rná látkové koncentraci složky absorbující zá ení zvolené vlnové délky. Titra ní k ivka Matematické i grafické vyjád ení funk ní závislosti veli iny sledované p i titraci na objemu p idaného titra ního inidla, pop . vytitrovaném podílu stanovované látky. Vytitrovaný podíl definujeme vztahem: a= n( X ) z n( X ) c kde n(X)z je látkové množství stanovované látky X, které již zreagovalo s titra ním inidlem, a n(X)c je celkové látkové množství stanovované látky p vodn p ítomné v roztoku. Na po átku titrace je a=0 a podíl ekvivalence je a=1. Jestliže látka x reaguje s titra ním inidlem ve stechiometrickém pom ru 1:1 platí dále: n( X ) z = n(T ) = c(T ) .V (T ) n( X ) c = n E (T ) = c(T ) .V E (T ) kde c(T) je koncentrace titra ního inidla, n(T) látkové množství p idaného inidla a V(T) zase objem p idaného inidla, nE(T) a VE(T) celkové látkové množství respektive objem titra ního inidla, které jsou pot ebné k dosažení bodu ekvivalence. N které veli iny, pomocí kterých sledujeme pr b h titrací, jsou p ímo úm rné rovnovážným koncentracím složek reak ního systému. Platí to nap . pro vodivost p i konduktometrických titracích nebo absorbanci p i fotometrických titracích. Mnohé veli iny, pomocí kterých sledujeme pr b h titrací však nejsou lineární funkcí rovnovážných koncentrací reak ních složek. V takových p ípadech titra ní k ivky vyjad ují nelineární (nej ast ji logaritmickou) závislost sledované veli iny Y na vytitrovaném podílu, pop . objemu spot ebovaného titra ního inidla. Jako p íklad si m žeme uvést titra ní k ivky acidobazických titrací, kdy sledujeme pH, tj. logaritmickou funkci aktivity proton v roztoku. U nelineárních titra ních k ivek se bod ekvivalence projevuje náhlou zm nou sm rnice, tj. inflexním bodem na k ivce. Sm rnice je v t chto p ípadech obecn vyjád ena derivací dY/da (dY/dV) a v inflexním bod dosahuje maximální hodnoty. Krom první derivace titra ní k ivky m žeme využít i druhé derivace d2Y/da (d2Y/dV), která má v inflexním bod nulovou hodnotu. 38 Obr. Titra ní k ivka silné kyseliny silnou zásadou Titra ní k ivky acidobazických titrací Znázor ují zm nu hodnoty pH se zm nou vytitrovaného podílu stanovované látky nebo objemu p idaného titra ního inidla. Jako titra ní inidla se používají roztoky silných protolyt (kyselin a zásad), protože zp sobují výrazn jší zm ny pH v okolí ekvivalence. V p ípad , kdy spolu reagují silná jednosytná kyselina a silná jednosytná zásada, je na za átku titrace v roztoku samotná kyselina o ur ité po áte ní koncentraci. P ídavkem zásady dochází k neutralizaci kyseliny. Jelikož se jedná o logaritmickou závislost, vytitrováním polovi ního množství kyseliny z množství p edcházejícího, dojde ke stejné zm n hodnoty pH,viz následující p íklad: vytitrování kyseliny zbylý podíl záporný potenciálový % zlomek kyseliny logaritmus skok 0,5 0,005 0,995 0,0022 0,0022 1 0,01 0,99 0,0044 0,0179 5 0,05 0,95 0,0223 0,2788 50 0,5 0,5 0,3010 0,3010 75 0,75 0,25 0,6021 0,3010 87,5 0,875 0,125 0,9031 0,3010 93,75 0,9375 0,0625 1,2041 0,3010 96,88 0,9688 0,0313 1,5051 0,3010 98,44 0,9844 0,0156 1,8062 39 mínus logaritmus zbylého podílu kyseliny 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0 20 40 60 80 100 120 % vytitrování kyseliny Obr. Matematické vyjád ení vzniku titra ní k ivky P íklady acidobazických titra ních k ivek Obr. Titrace silné kyseliny silnou zásadou Obr. Titrace silné zásady silnou kyselinou 40 Obr. Titrace slabé kyseliny slabou zásadou Obr. Titrace slabé kyseliny silnou zásadou Obr. Titrace slabé zásady slabou kyselinou Obr. Titrace slabé zásady silnou kyselinou 41 Acidobazická titrace vícesytné kyseliny Obr. Titra ní k ivka kyseliny trihydrogenfosfore né (ckys. = 0,1 mol l-1, czás. = 0,1 mol l-1) Neutraliza ní titrace D líme na alkalimetrii a acidimetrii. Acidimetrie je metoda, p i které se jako titra ní inidla používají odm rné roztoky kyselin a slouží ke stanovení zásad. Alkalimetrie používá odm rných roztok zásad ke stanovení kyselin. Acidimetrie Nej ast ji používanými odm rnými roztoky jsou roztoky kyseliny chlorovodíkové nebo kyseliny sírové o koncentracích 0,05 až 0,1 mol l-1. ed ním koncentrovaných roztok t chto kyselin se p ipravují odm rné roztoky o p ibližné koncentraci. Jejich p esná koncentrace (titr) se pak stanovuje pomocí základních látek. Pod pojmem základní látka se rozumí látka, která vyhovuje následujícím požadavk m: − musí být snadno dostupná ve vysoké istot − p ípadné ne istoty nesmí p evyšovat 0,1 % a musí být snadno zjistitelné − její istota ani složení se nesmí m nit skladováním, nap . nesmí být hydroskopická, nesmí samovoln reagovat se složkami vzduchu (kyslíkem, oxidem uhli itým) − její titrace odm rným roztokem musí mít stechiometrický pr b h a snadno a p esn indikovatelný konec − m la by být dob e rozpustná ve vod − má mít co nejv tší molární hmotnost, aby se snížila chyba zp sobená vážením 42 Ke stanovení titru odm rných roztok kyselin se používají tyto základní látky: 1. hydrogenuhli itan draselný (KHCO3) – odvážené množství se po rozpušt ní titruje podle reakce HCO3− + H + → CO2 + H 2 O n( H + ) = n( KHCO3 ) p i vizuální indikaci se používají methyloranž, p ed koncem titrace se z roztoku pova ením vypudí CO2 a po ochlazení se dotitruje. 2. uhli itan sodný (Na2CO3) – p ed vážením se suší p i 270 °C. P i titraci na indikátor methyloranž prob hne reakce CO32− + 2 H + → CO2 + H 2 O n( H + ) = 2 n( Na 2 CO3 ) Alkalimetrie Nej ast ji používanými odm rnými roztoky v alkalimetrii jsou roztoky alkalických hydroxid o koncentracích 0,05 až 0,1 mol l-1. Lze je p ipravit rozpušt ním tuhých obchodních preparát , které však i p i nejvyšší deklarované istot obsahují asto jen kolem 90 % NaOH nebo KOH, zbytek tvo í neur ité množství vlhkosti a zejména uhli itan. P i titracích reaguje na indikátor fenolftalein nebo na methyloranž. Je z ejmé, že koncentrace odm rných roztok hydroxid p ipravených jakýmkoliv zp sobem je jen p ibližná a vždy je nutné stanovit jejich titr. Jako základní látky v alkalimetrii se používají: 1. hydrogenftalan draselný (KHFtal) – odvážené množství se po rozpušt ní titruje podle rovnice HFTal − + OH − → FTal 2− + H 2 O n(OH − ) = n( KHFal ) 2. dihydrát kyseliny š avelové (H2C2O4 2H2O) – tuto slabou dvojsytnou kyselinu m žeme titrovat do II. stupn odm rným roztokem NaOH prostým uhli itanu na indikátor fenolftalein: (COOH ) 2 + 2 OH − → (COO ) 22− + 2 H 2 O n(OH − ) = 2 n [(COOH ) 2 2 H 2 O ] Chelatometrie Pat í do skupiny komplexometrických metod. Umož uje stanovit prakticky všechny ionty kov s výjimkou iont alkalických kov . Odm rným inidlem je roztok disodné soli kyseliny ethylendiamintetraoctové (Na2H2Y), která je dostupná ve form dihydrátu pod triviálním názvem chelaton 3. Obvykle se p ipravují roztoky o p ibližné koncentraci 0,01 až 0,1 mol l-1 rozpušt ním odváženého množství ve vod . P i vizuální indikaci se nej ast ji používá n který ze t í metalochromních indikátor : xylenolová oranž, eriochromová er T a murexid. Základní látkou v chelatometrii m že být: 1. chlorid olovnatý (PbCl2) – odvážené množství se za horka rozpustí ve vod a po úprav pH roztoku hexamethylentetraminem na hodnotu 5 se titruje na indikátor xylenolovou oranž z fialového do ist žlutého zbarvení 2. thiokyanatan dipyridinozine natý [Zn(C5H5N)2(SCN)2] – navážka se rozpustí ve vod za p ídavku amonného tlumi e o pH 10 a titruje se na indikátor eriochromovou er T z fialového do ist modrého zbarvení. 3. uhli itan vápenatý (CaCO3) – navážka vysušeného CaCO3 se rozpustí ve z ed né HCl, pova ením se vypudí z roztoku CO2 a pomocí NaOH se roztok zalkalizuje na pH 12. Po p ídavku indikátoru murexidu se titruje z erveného do fialového zbarvení. 43 Stechiometrie komplexotvorné reakce chelatonu 3 se všemi ionty kov je stejná a je vyjád ena následující rovnicí: n( M n + ) = n( Na 2 H 2Y ) Chelatometricky stanovujeme kovy p ímou, zp tnou nebo vyt s ovací titrací. P ímá titrace je nej ast jší a lze takto stanovit ionty kov , reagující s chelatonem rychle a za tvorby stabilních komplex . Zp tnou titrací stanovujeme ionty kov , které jsou vázány ve slou eninách nerozpustných ve vod , avšak rozpustných v nadbytku roztoku chelatonu (olovo v PbSO4, vápník v CaC2O4 nebo ho ík v MgNH4PO4). Sraženina se rozpustí ve známém nadbytku odm rného roztoku chelatonu a nespot ebované inidlo se zjistí zp tnou titrací odm rným roztokem ho e natých a zine natých iont . Vyt s ovací titrací stanovujeme ionty kov , pro které nemáme vhodný indikátor a které p itom tvo í stabiln jší komplex s chelatonem než s ionty Mg2+. K roztoku stanovovaného iontu p idáme p ebytek roztoku chelatonátu ho e natého a prob hne vyt s ovací reakce. Množství uvoln ných ho e natých iont , p esn odpovídající p vodn p ítomnému množství iont M2+, stanovíme titrací odm rným roztokem chelatonu. Argentometrie Argentometrií se rozumí titrace odm rným roztokem rozpustné st íbrné soli (AgNO3), taky srážecí titrace odm rnými roztoky halogenid i pseudohalogenid (obvykle se používají roztoky NaCl a NH4SCN nebo KSCN), p i nichž vznikají nerozpustné st íbrné soli. Odm rné roztoky dusi nanu st íbrného se v tšinou p ipravují o p ibližné koncentraci 0,01 až 0,1 mol l-1 rozpušt ním navážky a jejich titr se stanovuje pomocí základní látky. Základní látkou je chlorid sodný (NaCl), který p ed navažováním vysušíme p i 120 °C. Argentometrie je v praxi využívána p edevším pro stanovení chlorid , bromid a jodid . Sulfidy a kyanokomplexy železa, které se rovn ž srážejí st íbrnými ionty, se obvykle stanovují zp tnou titrací. Ke stanovení bodu ekvivalence se velmi asto využívá potenciometrické indikace pomocí st íbrné elektrody nebo vhodných iontov -selektivních elektrod (chloridové, kyanidové apod.). Oxida n -reduk ní titrace D lí se podle charakteru titra ních inidel na: oxidimetrii a reduktometrii. Oxidimetrie zahrnuje metody, p i nichž se jako titra ní inidla používají odm rné roztoky oxidovadel a slouží ke stanovení redukovadel. Pat í sem manganometrie, dichromatometrie, bromatometrie a jodometrie. V reduktometrii se používají odm rné roztoky redukovadel ke stanovení oxidovadel. V praxi jsou mén využívány, nejznám jší je titanometrie, která se uplat uje p i stanovení redukovatelných organických látek. Manganometrie Je to odm rná metoda, p i které se jako titra ní inidlo používá odm rný roztok manganistanu draselného. Oxida ní schopnosti manganistanu a pr b h reakce závisí na prost edí v jakém titrace probíhá. V kyselém prost edí se ionty MnO4- redukují na Mn2+ MnO4− + 8 H + + 5 e − → Mn 2+ + 4 H 2 O 44 V neutrálním nebo slab zásaditém prost edí probíhá redukce MnO4- na MnO2: MnO4− + 2 H 2 O + 3 e − → MnO2 + 4 OH − Odm rné roztoky manganistanu draselného (KMnO4) o p ibližných koncentracích 0,002 až 0,1 mol l-1 se p ipravují rozpušt ním tuhého preparátu v destilované vod . Titr odm rných roztok se stanovuje na tyto základní látky: 1. dihydrát kyseliny š avelové (H2C2O4 2 H2O) nebo š avelan sodný (Na2C2O4) – navážka látky se po rozpušt ní a okyselení roztoku kyselinou sírovou titruje za tepla (60 °C) podle reakce: 5 H 2 C 2 O4 + 2 MnO4− + 6 H + → 10 CO2 + 2 Mn 2+ + 8 H 2 O n( MnO4− ) = 2 n( H 2 C 2 O4 2 H 2 O ) / 5 = 2 n( Na 2 C 2 O4 ) / 5 Konec titrace se v manganometrii nej ast ji indikuje vizuáln pomocí prvního post ehnutelného r žového zbarvení roztoku p ebyte ným manganistanem. 2. oxid arsenitý (As2O3) – navážka látky, která je nerozpustná ve vod , se rozpustí v nezbytném množství roztoku NaOH a poté se roztok okyselí kyselinou sírovou. Vzniklá kyselina arsenitá se titruje podle reakce: 5 H 3 AsO3 + 2 MnO4− + 6 H + → 5 H 3 AsO4 + 2 Mn 2+ + 3 H 2 O n( MnO4− ) = 4 n( As 2 O3 ) / 5 Zvýšení rychlosti reakce kyseliny arsenité s manganistanem se dosahuje p ídavkem katalyzátoru chloridu jodného (ICl). 3. hexahydrát síranu amonnoželeznatého [(NH4)2Fe(SO4)2.6H2O, Mohrova s l] – po rozpušt ní navážky se železnaté ionty titrují v roztoku okyseleném H2SO4: 5 Fe 2+ + MnO4− + 8 H + → 5 Fe 3+ + Mn 2+ + 4 H 2 O n( MnO4− ) = n[( NH 4 )2 Fe(SO4 )2 . 6 H 2 O ] / 5 Manganometricky lze p ímo stanovovat: peroxidy, cínaté, antimonité nebo arsenité soli. Nep ímo lze stanovit Ca, Sr, Ni, Co, Mn, Cd, Cu. Dichromatometrie Jako titra ního inidla se používá odm rného roztoku dichromanu draselného, který se v kyselém prost edí redukuje na chromitou s l. Cr2 O72− + 14 H + + 6 e − → 2 Cr 3+ + 7 H 2 O Odm rné roztoky o koncentracích 0,002 až 0,1 mol l-1 jsou stálé a lze je p ipravit p ímo o p esné koncentraci rozpušt ním odváženého množství K2Cr2O7, protože dichroman draselný je základní látkou. Titrace se nej ast ji provád jí v prost edí z ed né kyseliny sírové. Konec titrace se indikuje nej ast ji potenciometricky nebo se používá vizuálních redoxních indikátor difenylaminu, pop . benzidin . Lze tak stanovit Fe, oxidovatelné 45 organické látky jako jsou alkoholy. Alkoholy se dichromanem draselným v kyselém prost edí oxidují na p íslušné karboxylové kyseliny (methanol až na CO2). 3 CH 3CH 2 OH + 2 Cr2 O72− + 16 H + → 3 CH 3COOH + 4 Cr 3+ + 11 H 2 O Protože reakce alkohol probíhají pomaleji, používá se tém výhradn zp tných titrací. P ebyte né množství odm rného roztoku dichromanu se stanoví titrací odm rným roztokem železnaté soli. Bromatometrie Základem bromatometrických metod je reakce bromi nanu v kyselém prost edí BrO3− + 6 H + + 6 e − → Br − + 3 H 2 O Odm rné roztoky o koncentracích 0,002 až 0,1 mol l-1 jsou stálé a lze je p ipravit p ímo o p esné koncentraci rozpušt ním odváženého množství bromi nanu draselného, protože bromi nan draselný je základní látkou. Titrace se provád jí v roztocích okyselených HCl. Indikace konce titrace je nej ast ji založena na reakci prvního nepatrného p ebytku bromi nanu se vzniklým bromidem, p i které se uvol uje brom: BrO3− + 5 Br − + 6 H + → 3 Br2 + 3 H 2 O Vznik bromu se projeví slab žlutým zabarvením roztoku, které není p íliš z etelné a proto se používají indikátory methyl erve nebo methyloranž. Používá se též biamperometrická indikace. Lze tak stanovit cínaté, antimonité, arsenité slou eniny a n které organické látky jako je hydrazin i fenol. Jodometrie Pod pojem jodometrie zahrnujeme jednak titrace, p i nichž stanovujeme redukovadla titrací odm rným roztokem jodu a jednak metody, p i nichž necháme reagovat oxidovadla s p ebytkem jodidu a zjiš ujeme tak množství uvoln ného jodu. Množství uvoln ného jodu stanovíme roztokem thiosíranu nebo arsenitanu. Jodometrické metody jsou založeny na vratné reakci: I 2 (aq ) + 2 e − ⇔ 2 I − Vzhledem k malé rozpustnosti jodu ve vod se používají 0,01 až 0,1 mol l-1 roztoky jodu v roztoku jodidu draselného, ve kterém je jod lépe rozpustný. Jodometrická stanovení m žeme provád t v kyselém, neutrálním nebo slab zásaditém prost edí do maximální hodnoty pH 8. Jako základní látky v jodometrii se používají: 1. oxid arsenitý (As2O3) – pro stanovení titru roztoku jodu v neutrálním nebo slab zásaditém prost edí. Navážka se rozpustí v roztoku NaOH a poté zneutralizuje H2SO4 na indikátor fenolftalein. Slab zásadité prost edí se b hem titrace udržuje p ídavkem NaHCO3, který neutralizuje jodovodík vznikající p i reakci: 46 AsO33− + I 3− + H 2 O → AsO43− + 3 I − + 2 H + n( I 2 ) = n( I 3− ) = 2 n( As 2 O3 ) Konec titrace se nej ast ji indikuje vizuáln pomocí škrobového roztoku. Rozpustná složka škrobu vytvá í s prvním p ebytkem I3- intenzivn mod e zbarvenou adsorp ní slou eninu. 2. thiosíran sodný (odm rný roztok Na2S2O3 o známé koncentraci) – je pro stanovení titru roztok jodu v kyselém prost edí. Thiosíranové ionty reagují s trijodidovými ionty za vzniku iont tetrathionanových: 2 S 2 O32− + I 3− → S 4 O62− + 3 I − n( I 2 ) = n( I 3− ) = n( S 2 O32− ) / 2 Titr roztoku thiosíranu se stanoví na základní látku K2Cr2O7 nebo KBrO3, jejichž známé množství se nechá v kyselém prost edí reagovat s p ebytkem roztoku KI. Ty se pak titrují odm rným roztokem thiosíranu. Jodometrií lze stanovit Sb, Sn, si i itany a sulfidy. Oxidovadla jako jsou ClO3-, BrO3-, IO3-, AsO43-, Cr2O72-, MnO4-, kationty Fe3+, Fe2+ a dále Cl2, Br2, H2O2 aj. oxidují kvantitativn jodid na jod. Dále lze stanovit n které organické látky nap . formaldehyd nebo dvojné vazby nenasycených organických látkách = jodové íslo. Jodové íslo vyjad uje množství jodu v gramech, adované na 100 gram látky. Titanometrie Jako odm rné inidlo se v titanometrii používá modrofialový roztok 0,05 až 0,1 mol l-1 chloridu nebo síranu titanitého asi v 3 %ní kyselin chlorovodíkové, který p i reakci s oxidovadly p echází na bezbarvou titani itou s l: Ti 4+ + e − ⇔ Ti 3+ Titrace je t eba provád t v inertní atmosfé e (CO2, N2), protože titanité ionty se snadno oxidují vzdušným kyslíkem. Základní látkou pro stanovení titru odm rného roztoku je dichroman draselný: 6 Ti 3+ + Cr2 O72− + 14 H + → 6 Ti 4+ + 2 Cr 3+ + 7 H 2 O n(Ti 3+ ) = 6 n( K 2 Cr2 O7 ) Konec titrace se indikuje vizuáln pomocí methylenové mod i nebo se využívá potenciometrické indikace. Praktické využití titanometrie je zejména p i stanovení n kterých organických látek, které lze titanitou solí v kyselém prost edí kvantitativn redukovat. Nap . nitro-, nitroso-, azo- a hydrazoslou eniny se redukují na aminoslou eniny: R − NO2 + 6 Ti 3+ + 6 H + → R − NH 2 + 6 Ti 4+ + 2 H 2 O Vzorek látky se redukuje známým nadbytkem odm rného roztoku titanité soli a nezreagované množství inidla se stanoví zp tnou titrací odm rným roztokem dichromanu. 47 Elektroanalytické metody Potenciometrie P i analytických aplikacích potenciometrie se m í elektromotorické nap tí galvanického lánku a sleduje se závislost nap tí na koncentraci stanovovaného iontu. Galvanický lánek se skládá z m rné elektrody, jejíž potenciál závisí na aktivit (koncentraci) stanovovaného iontu, a z elektrody referentní, která má konstantní potenciál. V galvanickém lánku, v n mž probíhají samovoln elektrochemické reakce na elektrodách, se m ní chemická energie na elektrickou. Úbytek Gibbsovy volné energie (-∆G) se p itom rovná elektrické práci odevzdané lánkem okolí: − ∆G = n F E kde n je po et elementárních náboj vym ovaných p i redoxní reakci v lánku, F je Faradayova konstanta (9,64846.104 C mol-1) a E je rovnovážné nap tí lánku. Referentní elektrody Jako referentní elektroda se velmi asto používá kalomelová elektroda. Kapka rtuti a vrstva kalomelu (Hg2Cl2) jsou ut sn ny v tenké trubi ce, naho e zatavené a opat ené platinovým kontaktem. Dole je v nosné trubici elektrody zataveno azbestové vlákno, nebo je v ní malý otvor ut sn ný vále kem husté frity. Na t chto porézních p epážkách se vytvá í kapalinový spoj s nasyceným roztokem KCl. Kalomelová elektroda je charakterizována lánkovou poloreakcí Hg 2 Cl 2 + 2 e − ↔ 2 Hg + 2 Cl − ze které vyplývá vztah (Nernstova rovnice) pro elektrodový potenciál (p i 25 oC): E = E o − 0,059 log aCl − N kdy se k m ení používá chloridost íbrná elektroda, což je v podstat st íbrný drátek potažený vylou eným AgCl a pono ený do roztoku chloridových iont . AgCl + e − ↔ Ag + Cl − E = E o − 0,059 log aCl − 48 Obr. Referentní elekrody dodávané k pH-metr m: a – kalomelová elda s azbestovým vláknem, b – kalomelová elda s porézní fritou, c – Rossova referentní redoxní elda s kapalinovým m stkem M rné (indika ní) elektrody Mezi m rné elektrody adíme takové elektrody, jejichž elektrodový potenciál se m ní se zm nou koncentrace t ch iont , na které je m rná elektroda citlivá. Nejznám jší m rnou elektrodou je vodíková elektroda. Je v potenciometrii základní elektrodou, nebo k jejímu standardnímu elektrodovému potenciálu, který je p i všech teplotách považován za nulový, jsou vztahovány elektrodové potenciály i hodnoty standardních oxida n -reduk ních potenciál . Vodíková elektroda se skládá z Pt plíšku, který je potažen platinovou erní a pono en do roztoku H+ iont . lánkovou poloreakci vodíkové elektrody m žeme vyjád it rovnicí: 2 H + + 2e− ↔ H 2 Er = E 0 − a (H ) 0,059 log 2 2+ 2 a (H ) Vodíková elektroda se používá k m ení pH ve vodných i áste n vodných rozpoušt dlech a ke zjiš ování pH standardních tlumivých roztok . N které kovové elektrody jsou citlivé na svoje vlastní ionty. Nap . st íbrná elektroda m ní elektrodový potenciál podle zm n aktivity (koncentrace) st íbrných iont v roztoku. Redoxní elektrody z ušlechtilých kov (Pt, Pd, Au) reagují na zm ny pom ru látkových koncentrací oxidované a redukované formy redoxního páru. Membránové elektrody, selektivní jen na ur ité ionty, se nazývají iontov selektivní elektrody. Vznik elektrodového potenciálu se vysv tluje vytvo ením membránového potenciálu, který vzniká na rozhraní dvou roztok , které jsou odd leny membránou. Nejpoužívan jší membránovou elektrodou je sklen ná elektroda, která se používá pro m ení koncentrace vodíkových iont a je to nejpoužívan jší elektroda pro m ení pH. Sklen ná elektroda je tvo ena membránou ze speciálního skla a je napln na vnit ním 49 roztokem o konstantní hodnot pH. Uvnit je umíst na vnit ní referentní elektroda, v tšinou chloridost íbrná. Sklo sklen ná membrány ur uje vlastnosti elektrody. Je tvo eno pevným silikátovým skeletem, kde dochází k vým nným reakcím. Na povrchu elektrody je p i styku s roztokem membrána asi do hloubky 100 nm hydratována a kationty alkalických kov mohou být zam n ny jinými kationty z roztoku, zejména vodíkovými. 0 E = E skl − 0,059 log pH Z dalších membránových iontov selektivních elektrod se používají membránové elektrody s tuhou membránou (kationtové i aniontové), nap . pro stanovení Cu2+, Pb2+, Cl-, Br-, I-, CN- nebo s kapalnou membránou, tvo enou iontom ni em, nap . pro stanovení K+ a NH4+. P ímá potenciometrie Metoda, p i kterých p ímo zjiš ujeme aktivitu i koncentraci n kterého iontu i molekuly s pomocí lánku tvo eného m rnou a referentní elektrodou. V tšinou používáme metodu kalibra ní k ivky, kde zjiš ujeme regresními metodami vztah mezi elektromotorickým nap tím lánku a koncentrací p íslušného iontu. Potenciometrická titrace Sledujeme závislost nap tí vhodn sestaveného lánku na objemu p idávaného titra ního inidla a z titra ní k ivky pak vyhodnotíme bod ekvivalence. V praxi je velmi rozší ená, protože je pracovn a p ístrojov jednoduchá. Metody se snadno automatizují. Používá se tam, kde selhává vizuální indikace. Hlavn p i stanovení organických a anorganických látek v nevodných prost edích. Potenciometrické titrace mohou být: neutraliza ní (sklen ná elektroda), srážecí (st íbrná elektroda v argentometrii, ISE citlivá na jeden ze srážených iont ), komplexometrické (ISE citlivá na stanovovaný kation) nebo redoxní (platinová redoxní elektroda). Tabulka - standardní elektrodové potenciály Redoxní pár E0 (V) Redoxní pár + Na /Na -2,714 Cu2+/Cu Zn2+/Zn -0,763 Fe3+/Fe2+ 2+ Cd /Cd -0,403 Ag+/Ag Fe2+/Fe -0,440 Cl-/AgCl/Ag 3+ Fe /Fe -0,036 H+/O2(g)/Pt H+/H2/Pt 0,000 MnO4-/Mn2+/Pt E0 (V) 0,337 0,710 0,799 0,222 1,229 1,510 Konduktometrie Vodivostní (konduktomerická) m ení se osv d ují v analytické praxi, pokud sledovaná složka vzorku výrazn ovliv uje vodivost roztoku. Vodivost je zp sobena migrací všech iont mezi elektrodami v roztoku. Je tedy aditivní veli inou, která je ovlivn na koncentrací, elektrickým nábojem a pohyblivostí jednotlivých iont . Konduktometrie je vhodná nejen ke stanovení koncentrace elektrolytu na základ m ení vodivosti roztoku (p ímá konduktometrie), ale i k indikaci ekvivalence sledováním zm n vodivosti p i konduktometrických titracích. 50 Vodivost elektrického vodi e p edstavuje konstantu úm rnosti v Ohmov zákonu I= (1/R) U a je p evrácenou hodnotou odporu; jednotkou je siemens, S = Ω-1. Elektrickou vodivost G ur itého materiálu charakterizuje m rná vodivost: κ= l G = kG A která je vztažena na jednotku plochy A a na jednotku délky l vodi e (má rozm r S m-1, resp. S cm-1). P i m ení vodivosti elektrolytu p edstavuje pom r vzdálenosti elektrod a jejich stejné plochy A odporovou konstantu nádobky k. U istého roztoku ur itého elektrolytu závisí m rná vodivost na jeho koncentraci, stejn tak i molární vodivost. Proto se zavádí veli ina molární vodivost, která p epo ítává m rnou vodivost na jednotkovou látkovou koncentraci: Λ= κ c molární vodivost má jednotku S m2 mol-1. V roztoku silného elektrolytu migrují kationty a anionty p sobením elektrického pole vzájemn opa nými sm ry. Protože se kolem každého iontu vytvá í iontová atmosféra obsahující ionty opa ného náboje, anionty a kationty se navzájem brzdí, a to tím více, ím je koncentrace elektrolytu vyšší. Ve z ed ných roztocích silného elektrolytu se tedy molární vodivost zvyšuje, a to v závislosti na klesající koncentraci. Vodíkové a hydroxidové ionty mají velmi vysoké molární vodivosti. Vysokou pohyblivost t chto iont v roztoku vysv tlujeme p enosem protonu na sousední molekulu vody (resp. ion OH-). P ímá konduktometrie Stanovit koncentraci elektrolytu na základ p ímého m ení vodivosti roztoku je možné je tehdy, jestliže je složení elektrolytu známé a konstantní. V roztocích obsahujících jen jednu látku je možno stanovit její koncentraci v širokém koncentra ním rozmezí, kdy platí lineární závislost m rné vodivosti na koncentraci. V pr myslové praxi je p ímá konduktometrie nej ast jší p i rychlém ov ování celkového obsahu solí rozpušt ných ve vod (pramenité, í ní i destilované), lze ur it celkový obsah minerálních látek v cukrovarnických surovinách apod. ion H+ Na+ K+ NH4+ Mg2+ Ca2+ La3+ Tabulka – iontové molární vodivosti vybraných iont p i nekone (S cm2 mol-1) ion 349,8 OH50,1 Cl73,5 Br73,6 I106,1 NO3119,0 SO42209,3 ClO4- ném z ed ní (S cm2 mol-1) 198,3 76,3 78,1 76,8 71,5 160,0 67,4 Elektrogravimetrie Elektrogravimetrické metody jsou založeny na vážení produktu elektrochemické reakce. Elektrochemická reakce, která p i elektrolýze probíhá v roztoku a na elektrodách, je systému vnucena p sobením vn jšího nap tí, které vkládáme na elektrody lánku. P i tomto stanovení 51 dochází k úplnému vylou ení stanovovaného kovu na pracovní elektrod a ur í se p ír stek její hmotnosti. Elektrogravimetrické metody jsou oce ovány pro svou vynikající p esnost a správnost. Je-li možno volit takové složení elektrolytu, aby se zabránilo elektrolytickému vylu ování jiných kov z roztoku, používá se jednoduché uspo ádání – elektrolýza za konstantního proudu. Elektrolytické d lení stanovovaného kovu od jiného, který se vylu uje p i negativn jším potenciálu, lze uskute nit elektrolýzou za konstantního potenciálu pracovní elektrody. Elektrody pro elektrogravimetrii se zhotovují z platiny. asto se používá Winklerova sí ková katoda a spirálová anoda. Tyto elektrody se zav šují do roztoku v kádince, kterou je t eba p ikrýt hodinovým sklí kem s vý ezem. Obr. Elektrogravimetrické elektrody Coulometrie Coulometrické stanovení je založeno na m ení náboje, který je nutný k úplné chemické p em n stanovované látky. Podle Faradayových zákon je hmostnost mB látky B vylou ené na elektrod úm rná elektrickému náboji Q, který prošel lánkem. K redukci nebo oxidaci jednoho molu chemických ekvivalent se spot ebuje náboj odpovídající Faradayov konstant (96 484,56 C mol-1), a tak platí mB = MB Q zF kde MB je molární hmotnost a z je po et elektron vym n ných p i elektrodové reakci. Coulometrická analýza se m že uskute ovat za konstantního potenciálu pracovní elektrody nebo za konstantního proudu (coulometrická titrace). Elektrodová reakce však musí na pracovní elektrod probíhat se 100%ním proudovým výt žkem. Znamená to, že vedle primární elektrodové reakce nesm jí probíhat vedlejší elektrodové reakce, ehož dosáhneme vhodnou volbou podmínek pro coulometrické stanovení. Rušivou vedlejší reakcí m že být elektrochemický rozklad rozpoušt dla. Aby se omezila difúze elektrolytu mezi polo lánky, vkládá se mezi elektrodu a anodový prostor diafragma. Coulometrie za konstantního potenciálu (potenciostatická coulometrie) Pracovní elektroda se udržuje na potenciálu odpovídající hodnot limitního proudu p íslušné elektrodové reakce. Koncentrace látky v roztoku postupn klesá, klesá tedy 52 i hodnota limitního proudu. Nem žeme proto náboj vypo ítat pouhým vynásobením I a t, ale intergací. Coulometrie za konstantního proudu (coulometrická titrace) P i coulometrické titraci se elektrický proud udržuje na p edem zvolené konstantní hodnot . Náboj m žeme vypo ítat násobením I a t, protože umíme m it hodnoty I a t velice p esn , m žeme velice p esn stanovit i malé množství vzorku (nap . až g). P i této metod jsou titra ním inidlem elektrony. Coulometrickou titraci lze rozd lit na primární a sekundární. B hem primární titrace stanovovaná látka reaguje p ímo na elektrod . U sekundární titrace stanovovaná látka reaguje s inidlem, které bylo vygenerováno reakcí na elektrod . Nap . p i stanovení SO2 se z roztoku jodidu vygeneruje jod, který pak reaguje s SO2 za vzniku síran . Sekundární titrace jsou velmi rozší ené, protože umož ují stanovit velký po et látek. Generováním lze vytvá et i inidla, která se obtížn p ipravují nebo vyžadují inertní atmosféru. K indikaci konce titrací se nej ast ji používá biamperometrická titrace. Obr. Coulometrická nádobka pro sekundární titraci Polarografie Polarografie je voltmetrická metoda s jednou polarizovatelnou a jednou nepolarizovatelnou elektrodou, pono ené do roztoku elektrolytu, na které vkládáme m nící se nap tí a sledujeme procházející proud. Jako polarizovatelnou elektrodu volíme v klasickém provedení rtu ovou kapkovou elektrodu, nepolarizovatelnou elektrodou je bu velkoplochá rtu ová elektroda (rtu ové dno) nebo n která z b žných referentních elektrod. Polarizace elektrod Elektroda polarizací brání ú ink m vn jšího vloženého nap tí, tj. pr chodu proudu I. U dokonale polarizovatelné elektrody i malý proud zp sobí její polarizaci. Zapojíme-li do elektrochemického lánku dokonale polarizovatelnou a nepolarizovatelnou elektrodu a vložíme mezi n nap tí Uv, budou reakcí takové zm ny potenciálu dokonale polarizovatelné elektrody, které povedou k vytvo ení polariza ního nap tí Up kompenzující vložené nap tí Uv. polariza ní nap tí je dáno rozdílem potenciál polarizovatelné a nepolarizovatelné elektrody. Potenciál nepolarizovatelné elektrody je konstantní, proto reakcí na zm nu Uv je zm na 53 potenciálu polarizovatelné elektrody. Teprve po p ekro ení tzv. rozkladného nap tí (rozkladného potenciálu pracovní elektrody) se na polarizovatelné elektrod za ne vylu ovat analyt a za ne procházet elektrický proud I. Mohou nastat dva p ípady: Vnutíme-li pracovní elektrod v i srovnávací dostate n negativní potenciál, elektrony proudí do roztoku a zp sobují redukci redukovatelných elektroaktivních látek. Procházející proud ozna ujeme jako reduk ní. Elektroda je katodou. Vnutíme-li pracovní elektrod pozitivní potenciál, elektrony jsou od erpávány z roztoku, oxidovatelné elektroaktivní látky jsou oxidovány a pracovní elektrodou prochází oxida ní proud. Elektroda je anodou. Rtu ová kapková elektroda je tvo ena kapkou rtuti, která se vytvá í na konci sklen né kapiláry. Kapilára je spojena se zásobníkem, ve kterém je zasunut vodivý drát (Pt). Vlastnosti kapiláry jsou charakterizovány dv ma veli inami: dobou trvání kapky t (s), a hmotnostním pr tokem mh (g.s-1). Výhodou této elektrody je stále se obnovující povrch a že p ep tí na Hg má vodík velké (0,8 V), což umož uje její použití i p i stanovení kov , které jsou v ad nap tí za vodíkem (Zn, Al, Ba, Na, K), aniž dochází k rozkladu vody. B hem m ení se registruje proud jako funkce potenciálu. Za p ítomnosti depolarizátoru (látek, které podléhají elektrodovým reakcím) vznikají polarografické vlny, jejichž poloha ur uje kvalitu a hodnota limitního proudu kvantitu. Další výhodou polarografie je, že se elektrolyzuje jen malé množství látky a stanovení je možné vícekrát opakovat s týmž vzorkem. Závislost proudu na potenciálu znázor uje polarografická k ivka: E1/2 je tzv. p lvlnový potenciál, který je pro danou látku konstantní. Tvar polariza ní k ivky závisí jen na polarizaci rtu ové kapkové elektrody, která zase závisí na složení roztoku. Polariza ní k ivka má t i oblasti: a) oblast polarizace: vložené nap tí nedosahuje hodnoty pot ebné k pr b hu elektrochemické reakce. Proud je proto prakticky nulový. Nepatrná hodnota proudu se nazývá nabíjecí nebo kapacitní proud. b) oblast depolarizace: proud je zp soben redukcí látky na katod nap . Cu2+ + 2e- → Cu. P íslušné inidlo se nazývá depolarizátor (Cu2+, Zn2+, Ag+). c) oblast limitního difúzního proudu: úbytek p em n ných látek v okolí elektrody se vyrovnává difúzí. Velikost limitního difúzního proudu udáváme výškou vlny. 54 Obr. Polariza ní k ivka Každý depolarizátor snižuje polarizaci jinou m rou, což se projeví r zným umíst ním vlny na ose nap tí. Polohu vlny posuzujeme podle tzv. p lvlnového potenciálu E1/2 (tj. difúzní proud dosáhne polovi ní hodnoty limitního I). E1/2 má konstantní hodnotu nezávislou na koncentraci depolarizátoru (hodnoty jsou tabelovány). Je-li v roztoku více složek s dostate n odlišnými hodnotami E1/2 (o 0,2 V), vytvá í každá složka svou vlastní vlnu. Získáme tak polarografické spektrum. U v tšiny analýz je nutno odstranit kyslík z roztoku, protože se redukuje na katod a jeho polarografické maximum zastíní k ivky jiných složek. Proto do roztoku zavádíme inertní plyn, nap . dusík. Velikost difúzního proudu popisuje zkrácená Ilkovi ova rovnice: Id = – p ístrojová konstanta .c Klasická polarografie Klasický polarograf umož uje rovnom rnou zm nu nap tí vkládaného mezi pracovní polarizovatelnou a srovnávací elektrodu, a tím zm nu potenciálu polarizované elektrody ve sm ru záporných nebo kladných hodnot. Sledujeme elektrický proud a ze záznamu k ivky vyhodnotíme její polohu a výšku. Diferen ní pulzní polarografie Diferen ní pulsní polarografie je mnohem citliv jší metodou než klasická polarografie. Použitím visící kapkové elektrody s mechanickým odtrháváním kapek se výrazn snižuje spot eba rtuti. Nap tí vkládané mezi polarizovatelnou a srovnávací elektrodu se m ní po malých p ír stcích pro každou novou kapku. Na konci každého p ír stku nap tí je vložen obdélníkový nap ový impuls. Proud je m en vždy p ed za átkem pulsu a p ed jeho koncem 55 a je zjišt na diference mezi t mito proudy ∆I. Tato diference se vynáší v závislosti na vkládaném nap tí. Touto technikou stanovit i nízké koncentrace 10-8 mol.dm-3. Rozpoušt cí voltametrie (stripping analýza) Stanovení elektroaktivních složek sm si se provádí nikoliv p i jejich vylu ování na polarizovatelné elektrod , ale naopak p i jejich elektrolytickém rozpoušt ní. Jako polarizovatelná elektroda se používá stacionární rtu ová kapková elektroda, p ípadn elektrody z tuhých materiál (grafit, platina, zlato). Rozpoušt cí voltametrie probíhá ve t ech krocích: 1. vylu ování stanovované látky elektrod za intenzivního míchání a p i konstantním potenciálu. Nahromad ní se nechá probíhat desítky sekund až desítky minut, podle obsahu stanovované látky. 2. doba ustálení, kdy se vypne míchání a p ípadn se vym ní elektrolyt. 3. elektrolytické rozpoušt ní nahromad ných produkt elektrolýzy se zahájí lineární zm nou potenciálu a zaznamenává se rozpoušt cí polarografická vlna Rozpoušt cí voltametrií lze ve stopové analýze stanovit látky o koncentraci až 10-12 mol.dm-3. 56 Optické metody Soubor metod, jejichž spole ným znakem jej jejich mechanismus, založený na interakci hmoty a elektromagnetického zá ení. Dále lze tyto metody d lit na spektroskopické (atomová spektrální emisní nebo absorp ní analýza, hmotnostní spektrometrie, rentgenová a Ramanova spektrometrie, luminiscen ní analýza) a nespektroskopické (refraktometrie, interferometre, polarimetrie). Pro mechanismus spektroskopických metod je typické, že se p i interakci s elektromagnetickým zá ením excitují nebo deaktivují atomy, molekuly, ionty i radikály, pop . jejich soubory, a hmota se zá ením si vym ují energii. Proto jsou spektroskopické metody spojeny s absorpcí nebo emisí elektromagnetického zá ení. U nespektroskopických metod dochází p i pr chodu zá ení vzorkem pouze ke zm nám jeho ur itých vlastností, jako je rychlost, rovina polarizace apod. Rozd lení spektrálních oblastí podle vlnových délek elektromagnetického zá ení Absorpce a emise P i absorpci elektromagnetického (sv telného) zá ení nastává interakce elektrické složky sv tla s elektrickým polem molekuly, které je vytvá eno pohybujícími se elektrony kolem jednotlivých jader atom . Elektrony se pohybují v orbitalech, jejichž energie jsou kvantovány. Jestliže elektrony zaujímají nejnižší energetické stavy, íkáme, že jsou v základním stavu. Podmínkou absorpce sv telného zá ení je existence dalších energetických kvantových stav molekuly, kterým íkáme excitované stavy. Absorbuje-li molekula sv telné zá ení, zaujmou elektrony vyšší energetické hladiny a dostanou se tak do excitovaného stavu. 57 Obr. Pr b h absorpce a emise Veli inu, která charakterizuje pravd podobnost p echodu nazýváme molární absorp ní koeficient ε. Je to veli ina charakterizující strukturu slou eniny a je nezávislá na koncentraci látky, ale závislá na pr ezu absorbující ástice. P i emisi dochází nejprve k excitaci atom nebo molekul na vyšší energetickou hladinu. Poté se molekuly nebo atomy vrací do základního stavu a p itom dochází k emisi zá ení. Ozá íme-li vzorek sv telným pulsem, vyzá ení se d je po r zn dlouhou dobu. Luminiscence s krátkým dosvitem je ozna ována jako fluorescence (< 10-5 s), luminiscence s dlouhým dosvitem jako fosforescence (> 10-4 s). P i absorpci zá ení molekula p ejde na n kterou vibra ní hladinu excitovaného stavu. Jde o proces velmi rychlý, trvající ádov 10-14 až 10-15 s. Molekuly v excitovaném stavu se p ebytku energie rychle zbavují a p echázejí do základního vibra ního stavu daného elektronového stavu a to nezá ivými p echody. T mto neradia ním proces m íkáme vibra ní relaxace. Absorp ní spektrometrie (spektrofotometrie) Je z ejmé, že množství absorbovaného zá ení závisí na celkovém po tu absorbujících ástic, které interagují se svazkem paprsk , a tedy také na tlouš ce absorbujícího prost edí, kterým zá ení prochází. 58 Obr. Zeslabení toku zá ení 0 roztokem o koncentraci c a tlouš ce vrstvy b Pro kone nou tlouš ku absorbující vrstvy tedy platí Φ = Φ 0 e −αb nebo τ= Φ = e −αb = 10 − ab Φ0 kde τ je transmitance, α konstanta úm rnosti (napierovský absorp ní koeficient), b je tlouš ka absorp ního prost edí, a je dekadický absorp ní koeficient. Aby tento vztah platil, musí být spln ny tyto p edpoklady: 1. dopadající zá ení musí být monochromatické 2. absorbující ástice (molekuly, atomy, ionty) se vzájemn neovliv ují 3. dopadající svazek je tvo en vzájemn rovnob žnými paprsky, kolmými k povrchu absorbujícího prost edí 4. všechny paprsky procházejí ve vzorku stejnou dráhu 5. absorbující prost edí je homogenní a nerozptyluje zá ení 6. tok zá ení není tak vysoký, aby zp sobil satura ní efekt (tzn. je vylou en stav, kdy všechny ástice byly p evedeny do excitovaného stavu) Hodnota absorp ního koeficientu má tedy význam pouze pro ur itou vlnovou délku a je samoz ejm závislá na vlastnostech absorbujících ástic i jejich koncentraci. Pak m žeme psát A = − log τ = ε b c což je Lambert v-Beer v zákon, ε - molární absorp ní koeficient (l mol-1cm-1), b – tlouš ka vrstvy (cm), c – látková koncentrace (mol l-1). Zákon Lambert v-Beer v je pro praktickou aplikaci výhodný tím, že linearizuje vztah mezi absorbancí a koncentrací. Transmitance na koncentraci závisí exponenciáln a její použití je p inejmenším nepraktické. V praxi je však nezbytné ov it platnost L-B zákona, a proto se m í závislost absorbance na koncentraci stanovované složky. V atomové i molekulové spektroskopii se absorbance m í v tšinou v maximu vhodného absorp ního pásu molekuly. Dostate n široké pásy jsou ve viditelné a ultrafialové oblasti. 59 Optické p ístroje používané v analytické chemii se zpravidla skládají ze 4 složek. Jedna složka, pomocná optika, tvo ená soustavou o ek, clon, zrcadel, odrazných hranol apod., vytvá í a vede p ístrojem svazek paprsk tak, aby bylo maximáln využito zá ivého toku zdroje. Druhou složku (základní optiku) tvo í za ízení plnící vlastní funkci p ístroje (rozkladné hranoly, ohybové m ížky, zeslabovací za ízení, filtry, polariza ní za ízení, kyvety atd.), t etí složkou jsou zdroje a tvrtou detektory zá ení (oko, fotografická citlivá vrstva, fotonky, násobi e, fotoelektrické lánky). Materiál optiky musí být v t ch oblastech vlnových délek, ve kterých pracujeme, dostate n propustný. Zdroj zá ení u spektrofotometrie Pro spektrofotometrické stanovení se používá nej ast ji wolframová a halogenová žárovka nebo deuteriová lampa. Wolframová žárovka je využívána pro rozsah vlnových délek 350 – 3000 nm. Energie emitovaná z wolframového vlákna je p ímo úm rná tvrté mocnin vloženého nap tí. Zna ná citlivost ke zm nám nap tí znamená, že nap tí musí být dob e stabilizováno. Halogenová žárovka je wolframová žárovka s obsahem malého množství jodu v k emenné ba ce. Jod reaguje s plynným wolframem, který vzniká sublimací ze žhavého wolframového vlákna, a vytvá í WI2. Tyto molekuly naráží na vlákno, jodid se rozkládá a wolfram se tak vrací zp t na vlákno. Halogenová žárovka má asi dvojnásobnou životnost než b žná wolframová žárovka. Je velmi ú inná a její spektrum je rozprost eno až do ultrafialové oblasti. Je používána v mnoha moderních spektrofotometrech. Deuteriová lampa je ideálním zdrojem pro ultrafialovou oblast zá ení. Elektricky excitovaný vodík nebo deuterium p i nízkém tlaku produkují kontinuální ultrafialové spektrum. Lampa emituje zá ení v rozsahu 160 – 375 nm. Lampa obsahuje k emenné okénko, protože sklo zá ení pod 350 nm absorbuje. Detektor Nej ast ji se používají fotonky. Fotonka je sklen ná bani ka se dv ma elektrodami, opat ená okénkem propustným pro dané zá ení. Citlivou vrstvu fotokatody tvo í alkalický kov, nej ast ji cesium ve sm si s jiným kovem. Na složení závisí spektrální citlivost fotonky. P edností fotonky je stabilita, okamžitý signál a p esná linearita. Použití absorp ní spektrofotometrie Ve viditelné oblasti se široce využívá pro stanovení kov , kationt i aniont . Výhodou p ístroj je relativn nízká cena, snadná mobilita za ízení pro r zné provozní aplikace, možnost snadné automatizace m ení. Spektrofotometrická m ení také dovolují zjistit oxida ní stav iont . Pro stanovení kov v roztocích je možné využít vlastní absorpce n kterých iont , jako je CrO42- nebo MnO4-. Pro v tšinu stanovení je však vlastní absorpce kationt p íliš slabá, a proto se využívá komplexotvorných reakcí, kterými se kationty p evád jí na barevné komplexy s podstatn vyšším molárním absorp ním koeficientem. Pro stanovení organických látek se využívá jejich absorpce v ultrafialové, viditelné i infra ervené oblasti. Abychom mohli látku zm it, musíme jí nejprve derivatizovat. Tzn. že látku substituujeme, adujeme, eliminujeme nebo p esmykneme. 60 Atomová absorp ní spektrometrie Základní schéma metody: Zdroj zá ení Atomizátor Monochromátor Detektor Zprac. signálu Princip P evedení vzorku do stavu volných atom (plynné fáze) pomocí zmlžova e za vysokých teplot od 2 000 K do 3 000 K v atomizátoru (výjimku tvo í rtu ). Následná absorpce vstupujícího zá ení (190 až 850 nm) volnými atomy p i vlnové délce, která je nejintenzivn jší pro daný prvek. Zdroje zá ení v AAS K m ení vzorku se používá lampa, která vyza uje zá ení o ur ité vlnové délce, které je analyt schopný absorbovat. Výbojka s dutou katodou Obr. Výbojka s dutou katodou Jsou konstruovány tak, že katoda výbojky je tvo ena kovem, jehož emisní árové spektrum chceme získat. Výbojka je napln na plynem (Ar, He) o tlaku n kolika set Pa, který je vloženým nap tím ionizován. Kladn nabité ionty plynu nejprve uvolní z katody atomy prvku, který je pak dalšími nárazy iont plynu i elektron excitován. P i p echodu do základního stavu pak tento prvek emituje zá ení, které odpovídá p echod m mezi jeho elektronovými hladinami, a je tudíž pro tento prvek charakteristické. Výbojky s dutou katodou jsou konstruovány pro více než 60 prvk . Bezelektrodové výbojky Jsou vhodné ke stanovení As, Se, Pb a P. Hlavní nevýhodou t chto výbojek je vysoká cena speciálních napájecích zdroj a vlastních výbojek. 61 Superlampy Mají 5 až 75x vyšší intenzitu ar než výbojka s dutou katodou. Hlavní p edností je nižší po izovací cena než u bezelektrodových výbojek, jejich velmi dlouhá životnost a zejména vyšší linearita kalibrací pro n které prvky. Atomizátory Slouží k p em n prvku (analytu) na atomovou páru. Je také generátorem a rezervoárem volných atom . Protože se u této metody jako analytická vlastnost využívá absorpce zá ení primárního zdroje, je nutné, aby p evážná v tšina vzniklých volných atom byla v základním energetickém stavu E0. Plamenová atomizace Jako palivo se používá acetylen, oxidovadlem je podle požadavku vzduch nebo oxid dusný. Plamen acetylen – vzduch dosahuje teploty 2 500 K, plamen acetylen – oxid dusný 3 000 K. Pro oba typy se používá p edem promíchaná sm s plyn , která laminární proudí k ústí ho áku. Ho áky se používají šterbinové. Délka št rbiny je úm rná hodnot absorbance. K m ení se používají dva typy ho ák a to 50 a 100 mm dlouhé. Abychom mohli vzorek lépe atomizovat, musíme ho prom nit na jemný aerosol, který se spolu s palivem a oxidovadlem kontinuáln zavádí do plamene. K tomu se nej ast ji používá pneumatický zmlžova . Obr. Pneumatický zmlžova s mlžnou komorou Elektrotermická atomizace Provádí se pomocí elektrotermického atomizátoru. Grafitový atomizátor ve tvaru trubi ky s dávkovacím otvorem uprost ed je zasazen do grafitových kónus a vše je upevn no do masivních kovových držák . Elektrotermické atomizátory jsou za ízení vyh ívaná na teplotu pot ebnou k atomizaci analytu elektrickým proudem. Krom oh evu na vysoké teploty je nutné atomizátor chladit. P ítomnost vzduchu v kyvet není žádoucí, takže atomizátor musí pracovat v inertní atmosfé e (Ar). 62 Obr. Grafitová kyveta Optický systém Pat í sem o ky, zrcadla, rota ní zrcadlové sektory a polopropustná zrcadla. V oblasti AAS se jako disperzní prvky používají výhradn monochromátory. Hlavním úkolem monochromátoru je separovat ur itý interval vlnových délek ze spektra. Správná volba ší ky spektrálního intervalu m že být d ležitým faktorem analýzy. P íliš úzký spektrální interval vede ke zvýšení šumu a tím zhoršení detek ních limit , široký spektrální interval pak zase m že být p í inou zhoršení linearity kalibra ní závislosti zp sobenou špatnou eliminací rušivé neabsorbující áry ze spektra výbojky. Detektory Obr. Fotonásobi s bo ním vstupem (1 – k emenné okénko, 2 – fotokatoda, 3 – primární elektrony, 4 – pomnožené sekundární elektrony, 5 – systém dynod) 63 Fotonásobi je evakuovaná sklen ná ba ka se vstupním okénkem z vhodného materiálu, zpravidla z k emene. Uvnit je fotocitlivá katoda, anoda a systém dynod, kterých bývá 9 až 13. Celý fotonásobi musí být uzav en ve sv tlot sném pouzdru a bývá umíst n hned za výstupní št rbinou monochromátoru. Princip innosti spo ívá v tom, že dopadem fotonu na sv tlocitlivou vrstvu dojde k vyražení elektronu, který je urychlen v elektrickém poli a p itažen na první z dynod. Dopad elektronu na dynodu zp sobí vyražení n kolika sekundárních elektron (max. 4), které jsou p itahovány k další dynod , protože mezi jednotlivými dynodami je udržován potenciálový spád. Linearita odezvy fotonásobi je vysoká (5 až 6 ád ). Použitelnost pro p íslušnou spektrální oblast omezuje materiál fotokatody. Dopadající foton musí mít dostate nou energii pro vyražení elektronu. Atomová emisní spektrometrie Základní schéma metody: Budicí zdroj Analyzátor Zprac. signálu Princip metody Emisní atomová spektrometrie (optická emisní spektrometrie) je založena na sledování emise elektromagnetického zá ení volnými atomy látek v plynném stavu. Budicí zdroje Dodávají energii pot ebnou pro vyvolání emise zá ení atomy vzorku. Vzorek p evádí z tuhé fáze nebo roztoku do plynné fáze, ve které nastane atomizace a excitace elektron . Jiskrový výboj Je opakující se krátkodobý vysokonap ový elektrický výboj. V jisk e se dosahuje teplot více než 12 000 K, proto spektrum obsahuje mnoho ar. Pro výbornou reprodukovatelnost se používá hlavn v kvantitativní analýze kov . Stejn jako obloukový zdroj pracuje se dv ma elektrodami. Elektrody jsou bu kovové nebo grafitové. Je-li analyzovaným vzorkem kov, m že být použit jako jedna z elektrod. Nevodivé vzorky jsou smíšeny s grafitovým práškem a umíst ny do prohlubn spodní elektrody. Obloukový výboj Je trvalý elektrický výboj mezi dv ma elektrodami, z nichž katoda je z kovového vzorku. Spot eba vzorku je v tší než u jiskrového výboje. Dosahuje se teplot 4 000 až 8 000 K. ar je ve spektru mén , ale jsou díky trvalosti výboje intenzivní. Vzhledem k citlivosti je vhodný ke stanovení stopových prvk a ke kvalitativní analýze. 64 Plazmový zdroj Dovoluje analyzovat vzorky v roztoku. Používá se induk n vázaný plazmový výboj (Inductively Coupled Plasma – ICP). Plazma vzniká p sobením vysokofrekven ního elektromagnetického pole pomocí induk ní cívky v prost edí argonu a její teplota je až 10 000 K. Do ní je vnášen aerosol roztoku vzorku argonu. Plazmový ho ák je z taveného k emene a je chlazen argonem nebo dusíkem. Plazmový zdroj umož uje analýzu velmi malých vzork i nekovových materiál s vysokou citlivostí. Je dnes nejrozší en jším zdrojem. Obr. Plazmová hlavice ICP Analyzátory Optický spektrometr Rozkládá zá ení budicího zdroje na jednotlivé spektrální áry a m í jejich intenzitu. Zá ení se rozkládá pomocí m ížky, která je zhotovena z keramického materiálu. Zá ení jednotlivých vlnových délek dopadá na výstupní št rbinu. Intenzita zá ení je m ena fotonásobi em za výstupní št rbinou. Hmotnostní spektrometr (kvadrupólový analyzátor) Vzniklé ionty vzorku separuje podle hodnoty podílu jejich hmotnosti a náboje m/z. Analyzátor obsahuje ty i rovnob žné ty ové elektrody. Na každou ty je p ivád na stejnosm rná složka nap tí ( ádov stovky V) a sou asn složka radiofrekven ního pole.Nastavení t chto hodnot p edur uje trajektorii drah, po kterých se budou ionty mezi ty emi pohybovat. P i daném nastavení mají stabilní trajektorii vedoucí k detektoru ionty práv ur ité hodnoty m/z. ostatní ionty k detektoru neprojdou. 65 Obr. Hmotnostní spektrometr s kvadrupólem (a – vstup vzorku, b – iontový zdroj, c – kvadrupól, d – detektor, e – vakuum) Metoda AES se v praxi využívá jak ke kvantitativnímu, tak ke kvalitativnímu stanovení. Kvantitativní analýza využívá toho, že intenzita ur ité áry je úm rná po tu atom prvku v plazm a závisí na její teplot . Nej ast ji pracujeme metodou kalibra ní k ivky. Nejd íve zanalyzujeme standardy se známým obsahem prvk a zjistíme závislost intenzity na koncentraci. Kvalitativní analýza spo ívá v identifikaci spektrálních ar vzorku. Používá se porovnání spektra neznámého vzorku se vzorkem standardním nebo porovnáním s atlasem ar, uloženým v pam ti po íta e. 66 Chromatografie Chromatografické metody p edstavují nejd ležit jší ást všech separa ních metod. Primární rozd lení je podle skupenství mobilní fáze a to na plynovou a kapalinovou chromatografii a chromatografii s tekutinou v nadkritickém stavu. Další rozd lení je podle skupenství stacionární fáze, viz. následující tabulka. Tabulka: p ehled nejd ležit jších chromatografických technik Fáze mobilní Fáze stacionární Chromatografická technika Plyn Kapalina na Plynová rozd lovací (plynová nosi i chromatografie chromatografie) Tuhá látka Plynová adsorp ní chromatografie Kapalina Kapalina (polymer) Kapalinová rozd lovací (kapalinová vázaná na nosi i chromatografie chromatografie) Kapalina v Gelová permea ní pórech sorbentu chromatografie Kapalinová adsorp ní Tuhá látka chromatografie Iontov vým nná chromatografie Tekutina Kapalina (polymer) Chromatografie s mobilní fází v nadkritickém stavu v nadkritickém stavu vázaná na nosi i Užívaný symbol GLC GSC LLC GPC LSC IEC SFC V kapalinové chromatografii existuje další t íd ní podle formy lože sorbentu: rozlišujeme chromatografii sloupcovou a na tenké vrstv . Teorie separace Separace využívá r zných fyzikálních, fyzikáln chemických a chemických vlastností složek vzorku k tomu, aby byl vzorek rozd len alespo na dva podíly odlišného složení. Cílem separace je zvýšení látkového zlomku jedné nebo více složek. V tšina separa ních metod je založena na rovnovážné distribuci složek vzorku mezi dv fáze. Na za átku m žeme uvažovat systém se dv ma fázemi, mezi kterými je distribuována jediná složka A. Po dosažení rovnováhy m že být distribuce složky A vyjád ena distribu ní konstantou KD, což je pom r celkových koncentrací této složky ve dvou daných fázích. K D, A = (c A )1 (c A ) 2 Z rovnice je patrné, že KD, A bude konstantní pouze v oboru velmi nízkých koncentrací, jinak bude funkcí koncentrace složky A a p ípadn dalších složek tvo ících matrici vzorku. Pokud složka A existuje v obou fázích v jediné form , nap . molekulární, lze vyjád it vztah pro KD, A pomocí rovnovážných látkových koncentrací: 67 K D, A = [A]1 [A]2 = (nA )1 V2 (nA ) 2 V1 kde [A]1 a [A]2 jsou rovnovážné látkové koncentrace ve fázích 1 a 2, V1 a V2 jsou objemy t chto fází, (nA)1 a (nA)2 jsou látková množství. V chromatografii se v itateli distribu ní konstanty uvádí fáze stacionární. Distribuci složky mezi dv fáze lze lépe popsat kapacitním pom rem kA. Ten je definován jako podíl látkového množství složky A v jedné fázi k látkovému množství téže složky ve fázi druhé: kA = (nA )1 (c A )1 V1 V = = K D, A 1 (nA ) 2 (c A ) 2 V2 V2 V chromatografii, p i popisu chování složek, p evládá používání kapacitních pom r . Separace p edpokládá, že vzorek obsahuje minimáln dv složky, které mají být rozd leny metodami na základ fázových rovnováh, musí se lišit hodnotami KD. Pom r distribu ních konstant dvou složek A a B se nazývá separa ní faktor A, B. α A, B = K D, A K D, B = kA kB Princip chromatografické separace Chromatografie využívá d lení mezi dv fáze. Jedna je pohyblivá (plyn nebo kapalina) a je nazývána jako mobilní fáze. Fáze nepohyblivá – stacionární m že nabývat v chromatografii nejr zn jších forem. N kdy jsou to áste ky tuhé látky o velikosti jednotek až stovek mikrometr , jindy je to tenká vrstvi ka kapaliny nanesená na tuhých ásticích, nebo tenký film kapaliny na vnit ní st n kapiláry. Pro jednoduchost se používá název sorbent pro jakoukoliv formu fáze stacionární. Dále budeme p edpokládat, že sorbetem je napln na kolona, p es kterou postupuje mobilní fáze. Sm s látek, která má být d lena, bude ozna ována jako vzorek a látky v ní jako složka 1, 2 atd. Kolonou napln nou sorbetem postupuje ur itou rychlostí mobilní fáze. Na za átek kolony vneseme vzorek, který obsahuje složky 1 a 2. Mobilní fáze unáší vzorek ke konci kolony, p i emž ob složky postupují pomaleji než mobilní fáze, a z toho složka 2 pomaleji než složka 1. P i postupu vzorku kolonou jsou molekuly složek bu v mobilní fázi, a potom se pohybují stejnou rychlostí jako mobilní fáze, nebo jsou zadržovány sorbetem, a potom se nepohybují v bec. B hem pr chodu kolonou každá molekula vzorku p ejde mnohokrát z proudu mobilní fáze na povrch sorbetu a zp t. ím v tší interakce, tím složka vychází pozd ji – má v tší reten ní as. 68 Obr. D lení složky A a B v chromatografii Na výstupu z kolony vycházejí ob složky odd lené a ší ky zón obou složek jsou v tší než je p vodní zóna vzorku a ší ka zóny druhé vystupující složky je širší než zóna složky p edcházející. Takto popsané uspo ádání se nazývá elu ní chromatografie. P ístroje, na nichž se chromatografická separace provádí, se nazývají chromatografy. Záznam chromatografické separace je chromatogram. Samotným k ivkám íkáme píky, chromatografické vlny nebo reten ní k ivky. Na ose y je odezva detektoru, která je funkcí koncentrace eluované složky v mobilní fázi. Na ose x jsou délkové jednotky (mm). 69 Obr. Chromatogram p i elu ní metod Plynová chromatografie (GC) Principem této separa ní metody je rovnovážná distribuce složek mezi dv fáze: plynnou-mobilní a kapalnou nebo tuhou-stacionární. Složky jsou separovány v plynné fázi. Pokud má být vzorek analyzován metodou plynové chromatografie, musí být všechny složky vzorku vypa eny definovaným zp sobem. GC je vhodná p edevším pro organické látky s teplotou varu asi do 400 oC. Podmínkou je, aby se látky p i vypa ování nerozkládaly. Plynová chromatografie je vhodná i pro analýzu anorganických slou enin, ale pouze t ch, které jsou t kavé. V n kterých p ípadech lze analyzovat i látky net kavé, když tyto látky p evedeme na t kav jší deriváty – derivatizace. Podle stacionární fáze je chromatografie dále d lena na plynovou adsorp ní a plynovou rozd lovací chromatografii. Význam má hlavn plynová rozd lovací chromatografie. Teorie GC P edpokládáme, že se složka nacházející se jako pára nebo plyn v mobilní fázi, z ásti rozpouští v kapalné stacionární fázi. Tím, že ást složky byla absorbována ve fázi stacionární, došlo k ustavení rovnováhy. Plynná mobilní fáze posune neabsorbovanou ást složky dál a nad stacionární fází obsahující rozpušt nou složku se objeví mobilní fáze, která tuto složku neobsahuje. Tím dojde k porušení rovnováhy a k jejímu obnovení je t eba, aby se ást složky z roztoku (ze stacionární fáze) vypa ila. Pro vypa ování složky z roztoku platí Raoult v zákon, který p i ideálním chování systému má následující tvar: p A = x A p 0A kde pA je parciální tlak složky A v plynné (mobilní fázi), xA je látkový zlomek této složky v kapalné (stacionární) fázi a pA0 je tlak par isté složky p i teplot systému a tlaku 101,325 kPa. V kapalné fázi je složka vystavena p sobení intermolekulárních sil, což zp sobuje odchylku od Raoultova zákona. Pro reálný systém p echází rovnice na vztah 70 p A = x A γ A p 0A kde A je aktivní koeficient složky A v kapalné fázi, který p edstavuje korekci na neideální chování. Uspo ádání GC Obr. Schéma plynového chromatografu: 1 – zásobník nosného plynu, 2 – regulace tlaku, 3 – regulace pr toku, 4 – dávkovací za ízení, 5 – detektor, 6 – termostat, 7 – chromatografická kolona, 8 – zesilova signálu, 9 – zapisova , 10 – digitální výstup Mobilní fáze – nosný plyn Nosný plyn má za úkol obstarávat transport složek kolonou a p itom se sám neú astní separa ního procesu. Jako nosný plyn se používá helium, dusík, vodík, argon. K tomu, aby plyn proudil kolonou, která p edstavuje ur itý odpor, je t eba, aby na za átku kolony byl tlak vyšší, než na jejím konci, kde je oby ejn tlak atmosferický. Zdrojem nosného plynu je obvykle tlaková láhev opat ená regulátorem tlaku. Nosný plyn má být vysoké istoty, bez vlhkosti a nemá obsahovat kyslík. Proto se do potrubí nosného plynu za azují suši ky a absorbery kyslíku. Pr tok plynu se reguluje jemnými jehlovými ventily. Tlak plynu se m í manometrem nebo tenzometrickým idlem. Kolony V plynové chromatografii jsou používány dva základní typy kolon: nápl ové a kapilární. Nápl ové kolony jsou trubice ze skla nebo nerezové oceli, napln né granulovaným materiálem. Jako nosi slouží k emelina o pr m ru ástic 0,1 až 0,15 mm. Na nosi bývá naneseno 3 až 15 % stacionární fáze. Kapilární kolony jsou otev ené kapiláry, kde funkci nosi e zastávají vnit ní st ny kapiláry, které jsou pokryty kapalnou stacionární fází. Kapilární kolony se zhotovují z taveného k emene, jehož povrch je potažen vrstvi kou polyamidu. Tato vrstvi ka odstra uje 71 k ehkost k emene a kolony jsou pružné. Vzhledem k vyšší ú innosti se používají p evážn kapilární kolony. Kolona délky 50 m m že dosáhnout ú innosti 250 000 pater. Podle zp sobu uložení stacionární fáze v kapilární kolon se rozlišují dva typy kapilárních kolon a to WCOT a PLOT. WCOT je kolona s tenkým filmem stacionární fáze naneseným p ímo na vnit ní stran kolony. Tlouš ka filmu bývá 0,1 a 1 m. Pr m r i tlouš ka st ny kolony se pohybuje ve stovkách mikrometr . Obr. PLOT kolony PLOT je kolona, kde na vnit ní st n kapiláry je nanesena, pop . chemicky vytvo ena z materiálu st ny, pórovitá vrstva o tlouš ce kolem 10 m i v tší. Vedle mechanicky nanesených fází rozeznáváme ješt kolony s vázanou stacionární fází. Ty mají stacionární fázi chemicky vázanou na vnit ní povrch kapiláry, nebo spíše je stacionární fáze zpolymerizována. Stacionární fáze v plynové chromatografii zadržují jednotlivé složky v závislosti na jejich distribu ních konstantách. Stacionární fázi volíme podle charakteru vzorku a podle rozsahu teplot varu. Obecn platí, že zvolená stacionární fáze má být podobného typu jako analyzovaný vzorek. Používané fáze jsou na bázi polysiloxan . Krom toho se používají ješt další dv fáze: skvalan (isoalkan C30H62) jako fáze s nejmenší polaritou a Carbowax 20M (polyethylenglykol se st ední molekulovou hmotností 20 000) jako siln polární stacionární fáze. 72 Detektory Plamenový ioniza ní detektor (FID) Obr. Plamenový ioniza ní detektor (1 – t leso detektoru, 2 – plamínek, 3 – elektrody, 4 – výstup spalin, 5 – tryska ho áku, 6 – víko detektoru) K ionizaci dochází v miniaturním plamenu. Do nosného plynu vycházejícího z kolony se v detektoru p idává vodík. Ionty, radikály a elektrony, které se vytvo í spálením komponent vycházejících z kolony, umožní pr chod elektrického proudu mezi elektrodami. Jednotlivé konstruk ní typy detektor se vzájemn liší p edevším tvarem a umíst ním elektrod. Mechanismus vzniku iont vysv tlujeme takto: v reduk ní zón plamínku dochází . . . ke krakování a k hydrogenaci uhlíkatých látek za vzniku radikál CH3 , CH2 i CH energeticky bohatých iont H+ a fragment OH a O2H. mezi uhlíkatými radikály a kyslíkatými fragmenty dochází v oxida ní zón plamínku v pr b hu spalování k exotermické reakci za vzniku dalších radikál . Uvoln ná energie p itom zp sobuje jejich ionizaci za vzniku kationtu a elektronu. Odezva plamenového ioniza ního detektoru vztažená na 1 mol vstupující látky závisí na po tu aktivních uhlíkových atom v molekule, na charakteru vazeb mezi uhlíky a na po tu neuhlíkových atom . Tento typ detektoru není citlivý na neuhlovodíkové plyny (H2, N2, O2, Cl2), H2O, H2S, COS, CS2, HCOOH, NH3, SiCl4 a oxidy S, N, C. Závislost plochy píku na hmotnosti analyzované složky je lineární v rozsahu asi 0,1 mg až 0,1 ng. Detektor elektronového záchytu (ECD) Podstatnou ástí detektoru jsou dv elektrody: editor, kde se jako zdroj m kkého radioaktivního zá ení užívá izotop 63Ni a kolektor. Nosný plyn je zá ením ionizován a mezi elektrodami prochází ioniza ní proud. Detektor je zvláš citlivý na alkylhalogenidy, 73 konjugované karbonylové slou eniny, nitrily, nitráty a organokovové slou eniny. Citlivost pro halogeny se projeví až p i dvou a více atomech halogen . Detektor je vhodný pro analýzu pesticid . Tepeln vodivostní detektor Podstatnou ástí je tenké odporové vlákno umíst né uvnit kovového bloku. Vláknem prochází konstantní elektrický proud a zah ívá je na ur itou teplotu. Jestliže detektorem prochází istý nosný plyn, je také teplota konstantní. Pokud projde eluovaná složka, zm ní se teplota vlákna tím i elektrický odpor detektoru. Tepeln vodivostní detektor je univerzální, dává odezvu na všechny látky. Je málo citlivý a používá se hlavn pro analýzy neuhlovodíkových plyn . Kvalitativní analýza Identifikace v chromatografii je založena na porovnání reten ního asu nebo objemu neznámé složky s reten ním asem nebo objemem standardu p i stejných podmínkách chromatografického d lení. Pro porovnání nam ených výsledk se používá n kolik zp sob vyjád ení reten ních dat: a) Pomocí specifických reten ních objem – p edstavují istý reten ní objem vztažený na 1 g stacionární fáze b) Pomocí relativní retence vzhledem ke zvolenému standardu c) Pomocí reten ních index Kvantitativní analýza Kvantitativní analýze musí p edcházet m ení plochy pík , které se v sou asnosti provádí výhradn digitálními integrátory. Po zm ení ploch pík lze p istoupit k vlastní kvantitativní analýze n kterou z dále uvedených metod: a) Vnit ní normalizace – procentové složení sm si Ai = Ai 100 An b) Absolutní kalibrace – n kdy ozna ována jako metoda vn jšího standardu. Spo ívá v dávkování známých množství analyzovaného vzorku a standardu za identických podmínek. c) Metoda standardního p ídavku Kapalinová chromatografie Mobilní fází je kapalina. Nejrozší en jší technikou je kapalinová rozd lovací chromatografie (LLC) a o n co mén kapalinová adsorp ní chromatografie (LSC). Další dv techniky, gelová permea ní chromatografie (GPC) a iontov vým nná chromatografie (IEC) jsou mén využívány, i když v n kterých oborech je jejich význam zna ný. V kapalinové chromatografii hraje mobilní fáze v separa ním procesu aktivní roli. 74 Teorie LLC Podstatou LLC je distribuce složek mezi kapalnou mobilní fázi a kapalnou fázi nanesenou na povrchu tuhých ástic. K tomu, aby distribuce složek mohla probíhat, je t eba, aby ob kapaliny byly nemísitelné. V chromatografickém systému kapalinové rozd lovací chromatografie, v kolon , je fázový pom r Vm/Vs zna n posunut ve prosp ch mobilní fáze. Má-li mít složka dostate nou retenci, je nutné, aby rozpustnost složky ve stacionární fázi byla podstatn v tší, než ve fázi mobilní. Chemicky vázané stacionární fáze v LLC jsou v naprosté v tšin nepolární (výjime n i st edn polární), což znamená, že mobilní fáze používaná v LLC musí být polární. Dosažení rovnováhy p i distribuci složky A mezi fázi mobilní a stacionární m žeme vyjád it rovností chemických potenciál této složky v obou fázích: ( Chemický potenciál složky A, A, A) s =( A)m v kterékoliv fázi m žeme vyjád it µ A = µ A0 + RT ln a A kde A je chemický potenciál složky A ve standardním stavu a aA je aktivita této složky. V rovnováze musí platit RT ln P i známé skute nosti, že aA = dostáváme K D , A A (a A ) s = − ∆µ A0 (a A ) m cA a s použitím rovnice K D , A = (c A )1 (c A ) 2 (γ A ) m ∆µ A0 = exp − (γ A ) s RT Stacionární fáze Základem v tšiny náplní, které obsahují chemicky vázanou stacionární fázi, je silikagel, a to bu ve form pln porézních ástic nepravidelného tvaru nebo pln porézních kulovitých ástic. Chemicky vázaná stacionární fáze na t chto nosi ích se získává vytvo ením vrstvi ky chemicky vázaného silikonového polymeru. K modifikaci silikagelu se nej ast ji používá vazby Si – O – Si, když se silanolové skupiny na silikagelu nechají reagovat v nepolárním rozpoušt dle nap . s oktadecyltrichlorsilanem. Takto upravený povrch silikagelu obsahuje ur ité množství silanolových a siloxanových skupin. Pokud tyto sorbety používáme v siln polární mobilní fázi, zbylé silanolové skupiny nevadí. P i separacích v mén polárních rozpoušt dlech, nebo p i separaci bazických složek, se však uplatní vliv silanolových skupin. Odstran ní zbytkových skupin se dosáhne následnou reakcí sorbentu s inidly typu (CH3)3SiCl. Chemicky vázané silikonové polymery jsou velmi odolné v i hydrolýze a teplu. Sou ástí silikonového polymeru je vždy ur itá koncová funk ní skupina, která podstatn 75 ovliv uje vlastnosti chemicky vázané fáze. V b žných komer ních výrobcích se používají tyto typy funk ních skupin: 1. uhlovodíkové (hydrofobní) skupiny – oktadecyl, C8H17-, C2H5-, CH3-, fenyl. 2. polární skupiny – nitrily, amino skupiny a dioly. V sou asné dob p evládají nápln , které mají oktadecylovou funk ní skupinu a jsou používány v rozd lovací chromatografii s obrácenými fázemi. Mobilní fáze V chromatografii s obrácenými fázemi se pracuje s polárními látkami. Používají se alkoholy (methanol), nitrily (acetonitril), ethery (tetrahydrofuran, dioxin, diethylether). Tyto eluenty mají p íliš velkou elu ní sílu a proto se používají ve sm si s vodou. Rozpoušt dla používaná jako mobilní fáze, m žeme se adit podle rostoucí elu ní síly. Nejmenší elu ní sílu má voda, teoreticky nejvyšší by m li nasycené uhlovodíky. Používaná rozpoušt dla v po adí podle rostoucí elu ní síly: voda, methanol, acetonitril, tetrahydrofuran, aceton. Stoupající elu ní síla znamená, že rozpoušt dlo s vyšší elu ní silou je schopno eluovat složku z kolony v kratším reten ním ase, než rozpoušt dlo s menší silou. Vhodné elu ní síly se dosáhne mísením dvou nebo t í rozpoušt del o r zné elu ní síle. Separované složky Vzhledem k charakteru nejužívan jší stacionární fáze (oktadecyl) jsou nejvíce zadržovány n-alkany. Jejich retence roste se stoupající molekulovou hmotností. Mén jsou zadržovány polárn jší uhlovodíky – aromáty a halogenované uhlovodíky. Po adí organických látek podle klesající retence v RP-LLC je p ibližn následující: alkany, aromáty, halogenované uhlovodíky, ethery, nitroslou eniny, estery, aminy, amidy, kyseliny, sulfokyseliny. Retence polárních složek je malá a látky, které jsou v mobilní fázi zcela disociovány, nejsou v bec zadržovány a jejich reten ní as se rovná asu mrtvému. Reten ní as lze ovlivnit použitím mobilní fáze o upravené hodnot pH. Zvýšením pH se zvýší elu ní objemy bazických složek a sníží elu ní objemy složek kyselých. P i snížení pH docílíme efektu opa ného. Obr. Schéma interakcí v rozd lovací kapalinové chromatografii 76 Obr. Schéma interakcí v rozd lovací kapalinové chromatografii Teorie LSC Kapalinová adsorp ní chromatografie využívá interakcí mezi složkami vzorku a tuhou fází - adsorbentem. Na za átek kolony napln né adsorbentem se vnese vzorek a p i promývání kolony eluentem se složky vzorku pohybují ve sm ru eluentu tím rychleji, ím mén jsou adsorbovány. Složky obsažené ve vzorku se pohybují kolonou r znou rychlostí podle toho, jak se liší jejich adsorp ní distribu ní konstanty. O mechanismu adsorpce v kapalné fázi existují zhruba následující p edstavy: malé kulovité ástice adsorbentu jsou na po átku ve styku pouze s mobilní fází – eluentem. Molekuly eluentu obsadí celý povrch adsorbentu a jsou na tomto povrchu drženy silou, která odpovídá jejich adsorp ní energii. Když se v mobilní fázi objeví analyt, jehož adsorp ní energie je v tší než adsorp ní energie eluentu, analyt je adsorbován a odpovídající po et adsorbovaných molekul eluentu je vyt sn n z povrchu zp t do mobilní fáze. Pokud by adsorp ní energie analytu, nap . složky A, byla menší než adsorp ní energie eluentu, složka by prošla kolonou bez zadržení. Stacionární fáze Pro kapalinovou adsorp ní chromatografii jsou nej ast ji používány siln polární adsorbenty kulovitého tvaru, které jsou pln porézní. Nejrozší en jším adsorbentem je silikagel, který se ukázal vhodný v 90 % všech aplikací. V menší mí e se používá alumina a Florisil. Silikagel je polární adsorbent sumárního vzorce SiO2 x H2O. Povrch silikagelu je pokryt hydroxylovými (silanolovými) skupinami, které reagují s adsorbátem za tvorby vodíkových m stk . Charakteristickým rysem silikagelu je kyselost povrchu, která se pohybuje mezi pH=3 až 5. Kyselost zp sobuje silnou retenci látek bazického charakteru, nap . dusíkatých bází. Na vzduchu silikagel velmi snadno p ijímá vodu, a proto je nutné silikagel aktivovat. Aktivace se provádí zah íváním na 180 oC po dobu 3 hodin. Aktivní silikagel se upravuje p ídavkem vody v množství asi 2 až 6 hm. %. Alumina je krystalická forma oxidu hlinitého. Povrch aluminy je pokryt aktivními centry, která vytvá ejí silné elektrostatické pole. P i p iblížení adsorbátu k povrchu vzniká v molekule indukovaný dipólový moment. Je vhodná k separaci izomer . D ležitým znakem aluminy je bazicita jejího povrchu, zpravidla pH = 8 až 11. To lze využít k d lení slab kyselých složek od látek neutrálních. U siln jších organických kyselin dochází k jejich 77 chemisorpci, takže tyto látky se na alumin d lit nedají. Aktivace aluminy se provádí zah íváním p i 400 oC po dobu 6 až 16 hodin. Florisil je polární adsorbent, k emi itan ho e natý, jehož vlastnost leží mezi silikagelem a aluminou. Mobilní fáze P i použití siln polárních adsorbent platí, že mobilní fáze musí být nepolární nebo slab polární. Polarita je v tomto p ípad p ímo úm rná elu ní síle. Elu ní síla je empirický parametr, jehož hodnoty byly stanoveny experimentáln . Stupnice hodnot je relativní a byla vztažena k elu ní síle pentanu, jehož síla byla definována jako nulová. ím je elu ní síla v tší, tím je eluent pevn ji sorbován a separované složky jsou sorbovány mén – mají tedy kratší reten ní asy. Rozpoušt dla podle stoupající elu ní síly: pentan, cyklohexan, benzen, ethylether, dichlormethan, aceton, 2-propanol, voda. B žn používané binární eluenty obsahují hexan jako rozpoušt dlo s nulovou elu ní silou a 5 až 20 obj. % diethyletheru nebo dichlormethanu. Pokud plynule m níme složení mobilní fáze nazývá se tato technika gradientová elu ní chromatografie. Separované složky Stacionární fází v LSC je p evážn silikagel, což je polární adsorbent kyselého charakteru. Z toho vyplývá i retence separovaných složek. Nejvíce budou zadržovány složky siln polární, nejmén složky zcela nepolární, n-alkany. P i stejné polarit složek budou více zadržovány ty, které mají v tší molekulovou hmotnost. Po adí organických látek podle klesající retence v LSC je následující: sulfokyseliny, amidy, aminy, alkoholy, estery, ketony, ethery, chlorované uhlovodíky, aromáty, nasycené uhlovodíky. Retence bazických složek na silikagelu m že být taková, že dochází k nevratné sorpci. Obr. Interakce na nepolárních sorbentech 78 Obr. Interakce na polárních sorbentech Instrumentace pro HPLC Sestává se z erpadla, za ízení na dávkování vzorku, kolony, detektoru a vyhodnocovacího za ízení. erpadlo musí zajiš ovat konstantní pr tok mobilní fáze (asi 0,1 až 10 ml min-1). Nej ast ji se používají pístová erpadla. K dávkování vzorku se používá šesticestný kohout s dávkovací smy kou. P i konstrukci kolon se v tšinou dává p ednost rovným trubicím, jejichž délka se pohybuje mezi 10 až 50 cm. Pom r pr m ru ku délce se zachovává 1:20 až 1:100. Nej ast ji používané pr m ry jsou 2 až 6 mm. Materiálem kolony je nerezová ocel a tvrzené sklo. V kapalinové chromatografii jsou používány p evážn následující detektory: 1. optické (fotometrický, fluorimetrický, diferenciální refraktometr) 2. elektrochemické (voltmetrický a vodivostní) Spektrofotometrický (fotometrický) detektor Je v kolonové chromatografii nejvíce rozší en. Eluent vytéká z kolony do m rné cely. P ístroj je vybaven deuteriovou výbojkou a m ížkovým monochromátorem. M že pracovat p i vlnové délce v rozsahu 220 až 600 nm. Hlavní nevýhodou t chto detektor je neschopnost zaznamenávat složky, které neabsorbují UV zá ení. Vhodné i pro gradientovou eluci. Tento detektor pracuje na bázi spektrometru. Fluorimetrický detektor Podobný fotometrickému. Polychromatické zá ení prochází monochromátorem a dopadá na celu, kterou protéká eluent z kolony a ást zá ení je absorbována. Emitované fluorescen ní zá ení vstupuje do emisního monochromátoru. Zá ení pak dopadá na fotoelektrický násobi , kde se p em ní na elektrický signál. Jednozna nou p edností tohoto detektoru je jeho vysoká citlivost. V ad p ípad je schopen detegovat eluovanou látku v koncentraci 10 až 1000x menší než fotometrický detektor. Další výhodou je zna ná selektivita. 79 Voltametrický detektor Dovoluje zaznamenat velmi malé koncentrace organických látek, které jsou elektrochemicky redukovatelné nebo oxidovatelné. Detektor m í proud mezi pracovní (polarizovatelnou) a pomocnou elektrodou v závislosti na vloženém potenciálu. Lze tak stanovit fenoly, trioly, peroxidy, aromatické aminy, ketony, aldehydy, nitrolátky, konjugované estery. Ostatní chromatografické metody Gelová permea ní chromatografie (GPC) Je p edstavitelkou nejjednoduššího separa ního principu, mechanické separace na základ rozdíl ve velikosti molekul d lených složek. Stacionární fází jsou malé kulovité ástice, které obsahují zna né množství pór o definovaném pr m ru. Póry, práv tak jako celý ostatní prostor mezi ásticemi, jsou vypln ny mobilní fází. Mobilní fáze nemá jinou úlohu než transportovat složky kolonou. Složky podle svého pr m ru molekuly bu do pór vstupují, nebo pro svou velikost se do pór nedostanou a potom postupují kolonou stejnou rychlostí jako mobilní fáze. Stacionární fáze pro GPC lze rozd lit na gely na bázi polystyrenu zesí ovaného divinylbenzenem (pro d lení látek s molekulovou hmotností 102 až 104) a na silikagely a skla (103 až 106). Výb r eluent nehraje v GPC tak d ležitou roli jako u jiných typ kapalinové chromatografie. Eluent p ímo neovliv uje separa ní proces a proto p i jeho zm n , ve v tšin p ípad , se po adí eluovaných složek nem ní. Nej ast ji užívaným eluentem v GPC je tetrahydrofuran, toluen, methylenchlorid, o -dichlorbenzen, 1, 2, 4 – trichlorbenzen. Obr. Permeace molekul r zné velikosti do póru gelu Iontová chromatografie (IC) Je ur ena pro separaci iont a dalších nabitých ástic. ástice bez náboje procházejí kolonou, pokud se neuplatní další separa ní mechamismy, bez zadržení. K separaci dochází na m ni ích iont , které mají na svém povrchu chemicky vázané iontové skupiny a na nich jsou elektrostatickými silami drženy opa n nabité protiionty. Tyto protiionty jsou shodné s jedním z iont , které tvo í mobilní fázi. Tém všechny vým ny iont probíhají ve vodných roztocích. Separovány, a tedy i vym ovány, mohou být jak záporn , tak i kladn nabité ionty a m ni e iont se podle toho, jaké ionty vym ují, nazývají katexy a anexy. 80 Katex má vázaná iontová místa se skupinami –SO3-, mobilní fází je z ed ná kyselina chlorovodíková. Hydroxoniové ionty z kyseliny sout ží o vázaná iontová místa na sorbentu se separovanými sodíkovými ionty. Retence sodíkových iont v kolon bude nep ímo úm rná koncentraci kyseliny v mobilní fázi. Obecn bude platit, že ím bude mít mobilní fáze vyšší koncentraci iont , tím menší bude retence separované složky. Základem stacionárních fází je tzv. nosi . Je to tuhá ástice, která m že být na bázi styren-divinylbenzenového kopolymeru, nebo je to porézní silikagel. Na nosi i jsou chemicky vázaná iontová místa, která sebou nesou i p íslušný protiion. Katexy a anexy d líme na siln a slab kyselé katexy nebo na siln a slab bazické anexy. Siln kyselým katexem je styren-divinylbenzenový kopolymer, který obsahuje sulfonové skupiny, -SO3-H+. Slab kyselý katex obsahuje skupiny –COO-H+. Siln bazický anex obsahuje jako funk ní skupinu kvarterní dusíkatou bázi, slab bazické anexy obsahují primární nebo sekundární amin. Mobilní fáze jsou tvo eny vodným roztokem kyselin, zásad nebo solí a jsou charakterizovány koncentrací iont a jejich nábojem. Platí obecn pravidlo, že ionty s v tším nábojem jsou zadržovány více, než ionty s nábojem menším. P i stejných nábojích platí další pravidlo, že v tší retenci má ion s v tší hmotností. P i separaci kationt se ionty eluují kyselinou chlorovodíkovou o koncentraci 0,01 mol l-1. K detekci slouží vodivostní detektor. Jeho princip je velmi jednoduchý. V malé kom rce jsou umíst ny dv elektrody, které jsou napájeny st ídavým nap tím. Detektor registruje zm ny vodivosti eluentu z kolony. P i separaci aniont se jako mobilní fáze používá roztok Na2CO3 a NaHCO3. Obr. Interakce na iontov -vým nných sorbetech Obr. Vým na iontu na povrchu iontom ni e 81 Chromatografie na tenké vrstv (TLC) Technika TLC využívá b žných princip adsorp ní kapalinové chromatografie. Liší se pouze uspo ádáním stacionární fáze do tenké vrstvy, namísto kolony. Mobilní fáze není erpána, ale nasávána kapilárními silami tenké vrstvy. TLC je velmi vhodná pro orienta ní analýzy velkého množství podobných vzork . V základním vybavení je to metoda velmi levná a rychlá. Hlavním prvkem TLC je chromatografická deska (15 x 15 cm) sklen ná, hliníková nebo z plastu, na kterou je nanesena vrstvi ka sorbentu o síle 0,1 až 0,5 mm. Nejb žn jším sorbetem je silikagel, oxid hlinitý, celulóza, polyamid. Sorbent m že obsahovat n kolik procent pojiva: sádry v množství 5 až 10 hm. %, škrobu, vinylových slou enin apod. Desky se asto prodávají s p ím sí fluorescen ního indikátoru. P ed použitím se mohou desky aktivovat zah átím v sušárn . N kolik mikrolitr 0,1 až 1 %ního roztoku vzorku se nanese mikropipetou na ozna ený start asi 1,5 až 2 cm od okraje desky. P ipravená deska se vyvíjí v uzav ené komo e, jejíž atmosféra je nasycena parami mobilní fáze. Kapilárními silami vzlínající rozpoušt dlo unáší jednotlivé složky vzorku r znou rychlostí. Potom se deska vyjme, usuší a rozd lené složky se lokalizují. P i vyhodnocování se m í vzdálenosti st edu skvrny od startu a vzdálenost, kterou urazila mobilní fáze od startu. V sou asné dob se rozší il pojem vysokoú inná tenkovrstvá chromatografie (HPTLC). Používají se menší zrna sorbet , menší rozm ry desek (max. 10 x 10 cm) a menší pr m r nanesených skvrn. Obr. Srovnání TLC a HPTLC 82 Chemický a fyzikální rozbor vody Chemický a fyzikální rozbor vody zahrnuje stanovení jednotlivých chemických a fyzikálních ukazatel vody. Je popsán v norm SN 75 7300. Podle rozsahu provedení rozeznáváme tyto rozbory: • úplný a zkrácený • nebo také základní, rozší ený, speciální a provozní. Pitná voda Požadavky na jakost pitné vody jsou u nás specifikovány od roku 1975. V SN 75 7211 Pitná voda jsou p edepsány maximáln p ípustné hodnoty všech 44 chemických a fyzikálních ukazatel , které se u pitné vody sledují, a tímto je dán rozsah plného chemického a fyzikálního rozboru pitné vody. Stanovení všech ukazatel pitné vody je pracné a asov náro né a proto se v praxi asto provádí zkrácené rozbory. Základní chemický a fyzikální rozbor zahrnuje stanovení 14 základních ukazatel : teplota vody, pH, acidita, alkalita, formy CO2, oxidovatelnost, vápník a ho ík, železo, mangan, amoniakální dusík, chloridy, dusitany, dusi nany, vodivost. Rozší ený chemický a fyzikální rozbor p edstavuje stanovení 23 základních ukazatel vody. Jsou to: teplota vody, barva, zákal, pach, chu , pH, acidita, alkalita, forma CO2, agresivita, oxidovatelnost, vodivost, veškeré rozpušt né látky a jejich ztráta žíháním, vápník, ho ík, železo, mangan, amoniakální dusík, chloridy, sírany, dusitany, dusi nany, fosfore nany. Povrchová voda Pro posuzování jakosti a pro klasifikaci povrchových vod platí norma SN 75 7220. Tyto chemické a fyzikální ukazatele jsou rozd leny do 3 skupin: 1. kyslíkový režim: rozpušt ny kyslík, BSK5, oxidovatelnost, (volný H2S) 2. základní chemické složení: rozpušt né a nerozpušt né látky, chloridy, sírany, vápník, ho ík 3. zvláštní ukazatele: teplota vody, pH, amoniak a amonné ionty, dusi nany, železo, mangan, fenoly, anionaktivní tenzidy, kyanidy, pach, zbarvení, oleje, pop . ropné látky. Odpadní voda Pro kontrolu jakosti odpadních vod platí norma SN 83 06 04. K základním ukazatel m, které norma ukládá stanovovat u všech druh odpadních vod, pat í: 1. teplota 2. vzhled a barva 3. ukazatele acidobazické reakce – pH, alkalita, acidita 4. ukazatele kyslíkového režimu – CHSK, BSK5 5. další ukazatele: veškeré rozpušt né a nerozpušt né látky, ztráta žíháním vysušeného zbytku, usaditelné látky (objemov ) po p lhodinové sedimentaci, extrahované látky. 83 Stanovení jednotlivých ukazatel vod Senzorické vlastnosti vody Teplota Teplota vody se m í ihned p i odb ru. M ení teploty se provádí pono ením teplom ru pod vodní hladinu, p i emž se musí vylou it p ímý slune ní svit. Výsledky se udávají ve oC po zaokrouhlení na 0,1 oC. Chu Zjiš uje se pouze u pitných vod, které jsou bakteriologicky nezávadné a neobsahují toxické látky. Stanovuje se subjektivn a vyjad uje popisem. Hodnotí se 4 základní chuti: slaná, ho ká, sladká, kyselá. Voda m že mít také r zné p íchuti (nap . kovová, houbovitá, svíravá, mdlá, železitá, zatuchlá, zemitá). Pach Je zp soben t kavými pachotvornými látkami, které se dostávají do vody p irozenou cestou nebo odpadními vodami. Mohou být také produktem biologických proces a rozkladu organických látek (sulfanem, pesticidy, asami, plísn mi). Pach se stanovuje u vod pitných, povrchových i odpadních. Ur uje se smyslovými zkouškami p i teplotách 20 a 60 oC. Vzorky k ur ení pachu se nekonzervují, analýzu je nutno provést co nejd íve, nejpozd ji do 12 hodin. Vlastní provedení ichové zkoušky je následující: do Erlenmayerovy ba ky se zábrusem o objemu 500 ml se odm í 250 ml zkoušené vody. Ba ka se p ikryje hodinovým sklem a vytemperuje na požadovanou teplotu. Pak se obsah ba ky promíchá a ichem se zjiš uje p ítomnost a druh pachotvorných látek. Intenzita pachu se vyjad uje v šesti stupních (žádný, velmi slabý, slabý, znatelný, z etelný, velmi silný). Pr hlednost Pr hlednost vody je dána její barvou a zákalem. M í se výškou sloupce vody, p es n hož lze ješt pozorovat bílou desku, nebo p e íst písmo ur ité velikosti. Pokud se provádí stanovení pr hlednosti vody v terénu, používá se tvercová deska o délce strany 20 cm bíle nat ená a upevn ná na záv su s vyzna enou délkou v cm. Deska se pono í pod hladinu a ode te se hloubka, p i níž p estane být vid t. Výsledky se udávají v cm. P i laboratorním stanovení se ur uje pr hlednost vody ve sklen ném válci o pr m ru 2,5 cm a výšce 50 cm. Pod válec se podloží itelné vzorové písmo vysoké 3,5 mm a p ilévá se do n j promíchaný vzorek vody. Sleduje se, p i jaké výšce vrstvy je písmo již ne itelné. Barva Barva vody m že být zap í in na látkami rozpušt nými, ale i nerozpušt nými. P i hodnocení jakosti vody se stanovuje barva zp sobená rozpušt nými látkami, nerozpušt né látky se jako rušivé odstra ují. U povrchových vod se na zbarvení podílejí p edevším huminové látky a slou eniny FeIII. Zp sobují žluté až ervenohn dé zbarvení. Barva p írodních vod, jejichž zbarvení je zp sobeno p evážn huminovými látkami, se ur uje následovn : do Nesslerova válce se odm í 50 ml vzorku a jeho barva se vizuáln porovnává s barvou sm si roztok chloroplati itanu draselného a chloridu kobaltnatého. Výsledky se vyjad ují jako obsah Pt v mg na 1 litr vody. 84 Zákal Zákal vody je zp soben nerozpušt nými nebo koloidními látkami jak organického, tak anorganického charakteru. Zákal se m í u vod bu turbidimetrickou nebo nefelometrickou metodou. P i turbidimetrickém stanovení zákalu se porovnává zákal vzorku se zákalem standardu formazinové suspenze spektrofotometricky m ením v procházejícím sv tle. Souhrnné ukazatele jakosti vody Veškeré rozpušt né a nerozpušt né látky Obsah rozpušt ných i nerozpušt ných látek ve vod je d ležitým chemickým ukazatelem jakosti vody. P ítomnost veškerých látek ve vod se zjiš uje odpa ením odm eného množství homogenního vzorku vody na vodní lázni, vysušením odparku do konstantní hmotnosti p i 105 oC a zvážením. Výsledek se udává v mg/l. P ítomnost nerozpušt ných látek se stanovuje jejich kvantitativním zachycením z p esn odm eného objemu homogenního vzorku na filtru, vysušením p i teplot 105 oC do konstantní hmotnosti a zvážením. Vodivost Ukazuje na obsah iont a tím na koncentraci rozpušt ných disociovaných látek. Obsah iont se m í vodivostní elektrodou. M ení vodivosti m že být rušeno nerozpušt nými látkami. pH Hodnota pH vody se ur uje bu spektrofotometricky nebo potenciometricky. Potenciometrické stanovení lze užít tehdy, jestliže analyzovaný vzorek má dostate nou iontovou sílu. Ke stanovení pH se používá sklen ná elektroda. Neutraliza ní kapacita Je schopnost vody vázat ur ité množství kyseliny (kyselinová neutraliza ní kapacita) nebo zásady (alkalická neutraliza ní kapacita) do p edem zvolené hodnoty pH. Kyselinová neutraliza ní kapacita je dána spot ebou jednosytné kyseliny p i titraci 1 litru vody do zvolené hodnoty pH. Alkalická neutraliza ní kapacita je pak dána spot ebou jednosytné zásady p i titraci stejného množství vody do zvolené hodnoty pH. Výsledek se udává v mmol l-1. Chemická spot eba kyslíku Je definována jako množství kyslíku, které se za p esn definovaných podmínek spot ebuje na oxidaci látek ve vod silným oxida ním inidlem. Udává se jako hmotnost kyslíku, která je ekvivalentní spot eb oxida ního inidla na 1 litr vody v mg l-1. Na základ stanovené hodnoty CHSK se dá usuzovat na celkový obsah organických látek ve vod , nebo ty se p i stanovení uplat ují. Stanovení CHSK je nedílnou sou ástí každého rozboru všech typ vod. V sou asné dob se ke zjišt ní obsahu látek schopných oxidace používají dv metody. U pitných vod se provádí titrace manganistanem draselným – tzv. Kubelova metoda. Oxidace probíhá v p ebytku manganistanu v prost edí z ed né H2SO4 p i desetiminutovém varu, úbytek manganistanu se zjistí tak, že po ukon ení oxidace se do reak ního prost edí p idá známé množství standardního roztoku kyseliny š avelové, která se zp tn titruje KMnO4. Vedle organických látek je nutno po ítat také s oxidací dusitan , sulfanu, sulfid , pop . chlorid . 85 Obsah látek schopných oxidace v odpadních vodách se zjiš uje titrací dichromanem draselným. Oxidace probíhá v siln kyselém prost edí za dvouhodinového varu a za spolup sobení katalyzátoru Ag+ iont . Za t chto podmínek dochází k oxidaci i velmi stabilních látek. Množství spot ebovaného dichromanu se zjistí na základ známého objemu standardního roztoku K2Cr2O7 použitého ke stanovení a odm rným stanovením dichromanu roztokem železnaté soli na indikátor ferroin. Stanovení je siln rušeno p ítomností chlorid . Tyto ionty jednak tvo í sraženinu s katalyzátorem (Ag+), jednak podléhají oxidaci s dichromanem, což vede k pozitivní chyb stanovení. Jejich p ítomnost je nutné maskovat Hg2+ ionty. Dichromanová metoda není vhodná p i hodnocení jakosti pitných vod a málo zne išt ných vod. BSK – biochemická spot eba kyslíku Biochemická spot eba kyslíku je definována jako množství kyslíku spot ebované mikroorganismy p i biochemickém rozkladu organických látek p ítomných ve vod za aerobních podmínek. Vyjad uje se v mg O2 l-1. Získaný údaj je nep ímým ukazatelem obsahu organických látek, které jsou biologicky rozložitelné. Nej ast ji používaná metoda je p tidenní – BSK5. Vzorek vody se nasytí kyslíkem, jehož obsah se stanoví. Další podíl vzorku se umístí do termostatu, kde p i 20 oC bez p ístupu sv tla a vzduchu se ponechá po dobu 5ti dní a op t se stanoví obsah rozpušt ného kyslíku. B hem celé inkubace je nutné, aby bylo ve vzorku dostate né množství kyslíku. Pokud by se jednalo o vzorky p íliš zne išt né, hrozí nebezpe í, že se p ítomný kyslík úpln vy erpá d íve než za 5 dní. V takovém p ípad je pot eba p vodní vzorek na edit. Vody, které neobsahují mikroorganismy (desinfikované i sterilizované) je nutno na edit o kovanou edící vodou. Metody stanovení anorganických plyn ve vod Rozpušt ný kyslík U povrchových vod pat í stanovení kyslíku k nejd ležit jším stanovením. Obsah rozpušt ného kyslíku se vyjad uje hmotnostní koncentrací mg.l-1 a v procentech nasycení vody kyslíkem, vztažených k rovnovážné koncentraci kyslíku ve vod za dané teploty a atmosférickému tlaku. Kyslík je nutno na míst odb ru ihned fixovat, p i emž je nezbytné zaznamenat teplotu vody a atmosférický tlak. Ke stanovení rozpušt ného kyslíku podle normy se užívá klasická jodometrická titra ní metoda. Princip jodometrického stanovení spo ívá v reakci kyslíku v alkalickém prost edí s hydroxidem manganatým za vzniku hydroxidu manganitého podle reakce: Mn 2 + + 2 OH − → Mn(OH ) 2 2 Mn(OH ) 2 + 1 / 2 O2 + H 2O → 2 Mn(OH )3 který po okyselení vzorku oxiduje p ítomný jodid na jod a p echází zp t na ion manganatý. Vylou ený jod se pak stanoví titrací odm rným roztokem thiosíranu na škrob. Mn(OH )3 + 3 H + → Mn3+ + 3 H 2O 2 Mn3+ + 2 I − → 2 Mn 2 + + I 2 I 2 + 2 S 2O32 − → 2 I − + S 4O62 − 86 Stanovení kyslíku ruší jednak látky, které v alkalickém prost edí oxidují hydroxid manganatý a složky, které v kyselém prost edí oxidují jodid na jod – Cl2, H2O2, Fe3+,Mn3+, NO2-, MnO4- a n které organické látky. Chlor Chlor dnes pat í k nej ast ji používaným prost edk m k desinfekci vody. Ve vod se dob e rozpouští a reaguje podle rovnice: Cl2 + H 2O → HClO + Cl − + H + Pod pojmem aktivní chlor se rozumí všechny formy chloru, které oxidují v kyselém prost edí jodidy na elementární jod. Ke stanovení se nej ast ji používají metody odm rné, spektofotometrické a polarografické. Výsledky se udávají v mg Cl2 /l vody. Klasicky se aktivní chlor stanovuje jodometricky, na základ uvoln ní ekvivalentního množství jodu z roztoku jodidu, okyseleného kyselinou octovou, který se stanoví titrací odm rným roztokem thiosíranu sodného na škrobový maz. Stanovení ruší v tší obsah organických látek, dusitany, mangan a železo. Amoniakální dusík Sleduje se ve všech typech vod, u pitné vody slouží jako indikátor zne išt ní živo išnými odpady. Ke stanovení se používá spektofotometrická metoda s Nesslerovým inidlem, dále barevná reakce s fenolem a chlornanem. Spektrofotometrická metoda s Nesslerovým inidlem je založena na reakci amoniaku v alkalické prost edí s tetrajodortu natanem sodným nebo draselným za tvorby oxidimerkuriaminjodidu: 2 [HgI 4 ] 2− + NH 3 + 3 OH − → OHg 2 NH 2 I + 7 I − + 2 H 2 O Vzniklý produkt je málo rozpustná žlutohn dá látka, která p i malých koncentracích tvo í žlutohn dé koloidní roztoky, jejichž barevná intenzita se stanovuje p i vlnové délce 425 nm. Stanovení ruší aminy, chloraminy, aceton, aldehydy a alkoholy. V jejich p ítomnosti je nutno NH3 ze vzorku vydestilovat a stanovení provád t v destilátu. Indofenolová metoda stanovení amoniakálního dusíku je založena na reakci amoniaku s chlornanem za p ítomnosti fenolu za vzniku indofenolu, který je v alkalickém prost edí intenzivn mod e zabarvený. Stanovení ruší dusíkaté látky, které za podmínek stanovení uvol ují amoniak, dále m , sulfidy, kyanidy a ho ík. Nutnost vydestilovat NH3. Metody stanovení kov ve vodách Kovy ve vodách se nej ast ji stanovují pomocí atomové absorp ní spektrometrie nebo pomocí optickou emisní spektrometrií s induk n vázaným plazmatem. Ostatní instrumentální metody se využívají minimáln . Sodík a draslík Ke stanovení se užívá p edevším plamenové emisní fotometrie a atomové absorp ní spektrofotometrie. U obou metod se k atomizaci sodíku a draslíku používá chemický plamen, vzniklý ho ením sm si acetylen – vzduch. M í se velikost emitovaného (i absorbovaného) 87 zá ení, vyvolaného excitovanými volnými atomy stanovovaného prvku, které je úm rné koncentraci stanovovaného kovu. Vápník a ho ík Obsah vápníku a ho íku se uvádí také pod názvem tvrdost vody. Stanovení t chto kov lze provést chelatometrickou titrací chelatonem 3 na eriochromovou er T v prost edí amoniakálního pufru o pH 10. S uvedenými kovy vzniká vínov ervený komplex, který po titraci p echází na ocelov modrou. Stanovení je rušeno ionty kov , které v daném prost edí reagují s chelatonem 3 nap . Zn2+, Pb2+, Cd2+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+. K jejich maskování lze použít p ídavku NH2OH . HCl nebo Na2S a triethanolamin . Železo Ke stanovení železa se nej ast ji používají spektrofotometrické metody. Železité ionty reagují v kyselém prost edí s thiokyanatanem za vzniku erven zbarveného produktu. Metoda je vhodná ke stanovení železa v koncentracích nad 0,05 mg.l-1. Ke stanovení obsahu Fe2+ ve vod lze využít barevnou reakci s o-fenanthrolinem. Mangan Ke stanovení manganu se používá spektrofotometrická metoda po oxidaci Mn2+ na manganistan pop . metoda AAS. Spektrofotometrické stanovení manganu: slou eniny manganu lze v kyselém prost edí oxidovat peroxodisíranem za p ítomnosti Ag+ iont a zvýšené teplot na manganistan. 2 Mn 2 + + 5 S 2O82 − + 8 H 2O + Ag → 2 MnO4− + 10 SO42 − + 16 H + Metoda je vhodná ke stanovení manganu v rozsahu koncentrací 0,1 mg.l-1 a výše. Stanovení ruší chloridy, železo a organické látky. M M se stanovuje spektrofotometricky reakcí s Kupralem. Cu2+ ionty reagují v amoniakálním prost edí za p ítomnosti chelatonu 3 s diethyldithiokarbaminanem sodným (Kupralem) za vzniku hn dé sraženiny, která je rozpustná v chloroformu za vzniku žlutého roztoku. Ke stanovení lze op t použít metodu AAS a polarografii. Zinek Zinek lze stanovit spektrofotometricky pomocí barevné reakce zine natých iont s dithizonem. Vzniklý dithizonan zine natý je ervené barvy a lze jej vyt epat do chloroformu. Metoda je velmi citlivá, umož uje stanovit koncentrace 0,005 – 0,03 mg zinku na litr. Možné stanovení metodou AAS a polarograficky. Chrom Chrom se vyskytuje ve vodách bu jako CrIII nebo CrVI. V pitných a povrchových vodách se stanovuje veškerý obsah chromu, v odpadních vodách se rozlišuje trojmocná a šestimocná forma. Ke stanovení veškerého chromu lze využít metodu absorp ní spektofotometrie po reakci s difenylkarbazidem. Chromany a dichromany reagují za vzniku ervenofialov zbarvené komplexní slou eniny. Intenzita vzniklého zabarvení se m í po extrakci reak ního produktu do amylalkoholu. Šestimocný chrom se stanoví p ímo ve vzorku, veškerý chrom po oxidaci peroxodisíranem. Další používaná metoda AAS. 88 Metody stanovení anorganických aniont ve vodách Fluoridy Ke stanovení fluorid ve vodách se nej ast ji používají metody spektrofotometrická a potenciometrická. Potenciometrické stanovení fluorid je založeno na m ení potenciálu iontov selektivní elektrody, jehož hodnota závisí na aktivit fluoridových iont ve vzork . Fluoridová elektroda je realizována krystalem LaF3. Poskytuje odezvu k F- a OH- iont m. Interferenci OH- iont lze potla it úpravou pH na hodnotu 5 až 6. Za optimálních podmínek se mohou ve vod stanovit obsahy nad 2 ppb. Pro m ení je nutné používat tlumivé roztoky, kterými se sou asn nastavuje konstantní koncová síla a které obsahují složky schopné vázat interferující kationty do stabilních komplex (Fe3+, Ti4+, Al3+). Chloridy Vzhledem k pom rn vysokým obsah m chlorid ve všech typech vod, slouží k jejich stanovení metody odm rné – argentometrická i merkurimetrická titrace. Pro rychlé stanovení se osv d ila iontov selektivní chloridová elektroda. Dusitany Dusitany jsou ve vod nestálé, proto je nutno vzorky analyzovat ihned po odb ru. K jejich stanovení se využívá schopnosti kyseliny dusité diazotovat aromatické aminokyseliny. Vzniklé diazoniové soli jsou kopulovány s jiným arylaminem za vzniku azobarviva, vhodného pro spektrofotometrické vyhodnocení. Stanovení ruší nerozpušt né látky, barva, zákal, silná oxida ní a reduk ní inidla. Dusi nany Ke stanovení dusi nan ve vodách slouží nej ast ji metody spektrofotometrické, u istých vod metody polarografické i potenciometrické s použitím dusi nanové ISE. Spektrofotometrické stanovení dusi nan je založeno na nitraci kyseliny salicylové dusi nany p ítomnými ve vzorku v prost edí koncentrované H2SO4. Vzniklé produkty jsou žluté, zbarvení je stálé až 24 hodin. Stanovení v siln mineralizovaných vodách ruší jak anionty tak kationty, které jsou ve vod b žn zastoupeny. Sírany Ke kvantitativnímu stanovení se používají metody odm rné nebo izotachoforetické. Titra ní stanovení síran dusi nanem olovnatým je založeno na reakci síranových iont s ionty Pb2+, kdy vzniká málo rozpustná sraženina síranu olovnatého. Konec titrace je indikován barevnou zm nou dithizonu ze zelené do fialov ervené. Stanovení ruší všechny kationty s výjimkou alkalických kov a NH4+, proto je nutné kationty odstranit. Titra ní stanovení síran chloristanem barnatým je založeno na reakci síranových iont s iontem barnatým za vzniku málo rozpustného síranu barnatého. Bod ekvivalence je indikován thorinem. Kyanidy Veškeré kyanidy se uvol ují HCN destilací z prost edí kyseliny sírové za p ítomnosti ho e naté soli, která podporuje rozklad i komplexních kyanid železa. Vlastnímu kvantitativnímu stanovení slouží bu odm rná argentometrická metoda (pro koncentrace nad 2 mg l-1) nebo spektrofotometrická metoda (nad 0,002 mg.l-1). Kyanidy lze stanovit také membránovými ISE. Argentometrické stanovení kyanid je založeno na titraci kyanidu st íbrnou solí, kdy se vylu uje bílá sraženina kyanidu st íbrného. 89 Analýza polutant v ovzduší Emise – m ení koncentrace škodlivin v míst jejich vypoušt ní do volného ovzduší (komíny, v trací šachty, výfuková potrubí atd.). Imise – škodliviny rozptýlené a pozm n né reakcemi v ovzduší. Do ovzduší se dostává velké množství škodlivin, asi 90% plynných látek a zbytek tuhé a kapalné ástice. Biologická agresivita ady t chto látek vedla k tomu, že byly zavedeny nejvyšší p ípustné koncentrace (NPK) ur itých škodlivin. Pro NPK jsou v našich i zahrani ních zákonných p edpisech zavád ny zpravidla dv hodnoty. Je to NPK krátkodobá (st ední hodnota okamžitých koncentrací za dobu 30 minut) a Kd (za 24 hodin). Slou eniny síry SO2 – oxid si i itý Pat í mezi hlavní zne iš ující sou ásti ovzduší. P i b žných koncentracích, cca 0,1 mg m-3, oxid si i itý dráždí o i a horní cesty dýchací. P i koncentraci 0,5 mg.m-3 p sobí na innost mozkové kúry a p i 2,5 mg m-3 dochází ke snížení pr chodnosti v plicích. Oxid si i itý b hem ur ité doby p echází fotochemickou nebo katalytickou reakcí na oxid sírový. Vzniklý oxid sírový je okamžit hydratován vzdušnou vlhkostí na aerosol kyseliny sírové. Ta m že reagovat s prachovými alkalickými ásticemi v ovzduší za vzniku síran . Sírany se postupn usazují na zemský povrch nebo jsou z ovzduší vymývány srážkami. Ke stanovení SO2 v ovzduší lze použít celou adu metod. B žn jsou používány následující metody: a) Fluorimetrická b) Coulometrická c) Fotometrická d) Titra ní a) Fluorimetrická metoda je založena na excitaci molekul SO2 UV zá ením vlnové délky 190 – 230 nm. P edností metody je její vysoká selektivita, nebo jiné slou eniny stanovení neruší. b) Coulometrická titrace slouží ke zjiš ování krátkodobých hodnot koncentrací SO2 a je základem n kterých automaticky pracujících monitor . M ený vzduch se probublává vodným roztokem, který obsahuje Br2, KBr a H2SO4. P itom probíhá reakce: SO2 + Br2 + 2 H 2 O → H 2 SO4 + 2 HBr Chemická reakce zm ní redox-potenciál a m rné elektrody dají impuls genera ním elektrodám, které vyprodukují odpovídající množství Br2 a vrátí systém do p vodního stavu. Zaznamenává se proud, který je pot ebný k uskute n ní této reakce. Doba pot ebná k m ení je dána asovou konstantou p ístroje, která nebývá v tší než n kolik minut. Pro selektivitu stanovení je rozhodující druh a kvalita selektivních filtr . Nejmenší stanovitelné koncentrace jsou zpravidla vyšší než 20 µg m-3. c) Fotometrická metoda slouží ke zjišt ní pr m rných hodnot koncentrací SO2. Oxid si i itý je absorbován roztokem tetrachlorortu natanu sodného a po p ídavku formaldehydu dává hydroxymethylsulfonovou kyselinu. Ta reaguje s pararosanilinem erveného zbarvení, které umož uje fotometrické stanovení. za vzniku vínov 90 [Hg Cl 4 ]2− + SO2 + H 2 O → [Hg Cl 2 ( SO3 )]2− + 2 Cl − + 2 H + [Hg Cl 2 ( SO3 )]2− + HCOH + 2 H + → HO − CH 2 − SO3 H + HgCl 2 Po skon ení odb ru se odpipetuje absorp ní roztok do odm rné ba ky o objemu 10 ml. P idá se 1 ml roztoku formaldehydu, 1 ml roztoku pararosanilinu a odm rná ba ka se doplní po zna ku erstvým absorp ním roztokem. Fotometrické stanovení se provádí 20 minut po p idání pararosanilinu, kdy zabarvení má konstantní hodnotu. Vzorky se m í p i vlnové délce 560 nm. Nejmenší detegovatelná koncentrace se pohybuje kolem 10 µg m-3. Metoda je vysoce selektivní. NO2, Cl2, CS2 zp sobují systematickou chybu cca 5%. d) Titra ní metoda slouží ke zjišt ní pr m rných hodnot koncentrací SO2 nad 2 µg m-3. SO2 je sorbován v roztoku H2O2 s KCl (pH = 4,5). P itom dochází k oxidaci na kyselinu sírovou. Po absorpci se roztok titruje roztokem tetraboritanu sodného, potenciometricky s použitím sklen né elektrody. SO2 + H 2 O2 → H 2 SO4 H 2 SO4 + Na 2 B4 O7 + 5 H 2 O → Na 2 SO4 + 4 H 3 BO3 Metoda se hodí ke stanovení pr m rných koncentrací. Její p edností je nenáro nost na technické vybavení. Nevýhodou je malá selektivita, nebo další kysele reagující složky ovzduší (SO3, NO2, HCl) zvyšují výsledky, zatímco zásadit reagující imise (NH3) výsledky snižují. SO3 – oxid sírový Okamžit reaguje se vzdušnou vlhkostí a vytvá í aerosol kyseliny sírové. Hlavním zdrojem SO3 je oxidace SO2. Ke stanovení aerosolu kyseliny sírové je možno použít fotometrickou a turbidimetrickou metodu. Ob metody ur ené ke stanovení pr m rných koncentrací používají k zachycení aerosolu papírový filtr preparovaný roztokem hydroxidu draselného. P es filtr umíst ný v držáku se prosaje odm ené množství vzduchu. Potom se filtr vylouží vodou a do vodného roztoku se dostanou síranové ionty z rozpustných síran . Fotometrická metoda je založena na reakci síranových iont s chloranilem barnatým. Vodný výluh se perkoluje p es katex v H+ cyklu, aby se zachytily kationty. K získanému eluátu se p idá pevný nerozpustný chloranilan barnatý. Reakcí s kyselinou sírovou vznikne síran barnatý a rozpustná kyselina chloranilová, jejíž roztok je ervenofialov zbarven. Intenzita zbarvení se m í fotometricky p i 540 nm. Touto metodou se dá stanovit ješt 100 µg H2SO4 zachycené na filtru. Turbidimetrická metoda m í snížení zá ivého toku procházející kyvetou p i vlnové délce 420 nm. Vodný výluh se p enese do kyvety s míchadlem. Za stálého míchání se zm í absorbance. Poté se do kyvety p idá krystalický chlorid barnatý a znovu se m í absorbance. Metoda stanoví spolehlivé koncentrace kyseliny od 5 mg 1-1 výše. 91 H2S – sulfan Zdrojem sulfanu v ovzduší jsou p edevším biochemické procesy p i rozkladu organických látek a vulkanická innost. V menší mí e to jsou emise z pr myslu p i výrob sulfátové celulósy, p i rafinaci ropy, v koksovnách. Sulfan se v malých koncentracích (pod 0,1 mg m-3) projevuje nep íjemným, obtížným zápachem. Ve vyšších koncentracích se uplat uje jeho toxicita. Nebezpe í spo ívá v tom, že sulfan ochrnuje ichové nervy, takže zápach mizí a dochází rychle ke smrtelné otrav . Ve vzduchu se sulfan rychle oxiduje, prakticky b hem jednoho dne, na SO2 a dále na H2SO4. Ke stanovení se používají následující metody: a) Fluorimetrická b) Fotometrická c) S iontov selektivní elektrodou d) Chromatografická Pro volné ovzduší p icházejí do úvahy pouze první dv metody: a) Fluorimetrická metoda je založena na oxidaci sulfanu na oxid si i itý a na fluorimetrickém stanovení SO2. Mez stanovitelnosti je 1 µg m-3. b) Fotometrické metody mohou být použity dv . Starší je založena na tvorb methylenové mod i, nov jší na reakci H2S s jodi nanem. P i vzniku methylenové mod e je t eba prosát 10 až 100 litr vzduchu do 10 ml absorp ního roztoku (Cd(OH)2). Druhá metoda používá jako absorp ní roztok 10 ml 2% octanu zine natého s 2,5 ml suspenze hydroxidu cíni itého. Je t eba zase prosát impingerem 10 až 100 litr vzduchu. Do 50 ml ba ky se odm í 5 ml jodi nanu draselného, 5 ml kyseliny sírové, 5 ml Pyroninu G a 5 ml chloridu sodného. Do roztoku se p idá suspenze z impingeru. Po dopln ní ba ky na 50 ml a zat epání se obsah p enese do d li ky a t epe s 5 ml benzenu. Benzenová vrstva se odd lí, vysuší bezvodým síranem sodným a v 1 cm kyvet se m í absorbance p i 535 nm proti slepému pokusu. Metoda je vhodná pro stanovení pr m rných koncentrací sulfanu v ovzduší a dává lineární odezvu pro 0,05 až 0,6 µg H2S. c) Metoda s využitím ISE je vhodná pro stanovení krátkodobých hodnot vyšších koncentrací sulfanu cca 0,1%. Vzorek plyn prochází absorbérem, kde souproudn postupuje 0,1 M NaOH. Vzniklý roztok sulfidu sodného je erpán do m rné cely opat ené ISE sulfidovou, nasycenou kalomelovou eldou a míchadlem. d) Metody chromatografické pro stanovení malých koncentrací sulfanu, oxidu si i itého a thiol nejsou zatím p íliš rozší ené, nebo se projevují potíže zp sobené reaktivitou stanovovaných látek a jejich adsorpcí na náplni kolon, st nách kolon a v dávkovacím systému. Slou eniny dusíku NOx – oxidy dusíku P sobení bakterií v anaerobních podmínkách je hlavním zdrojem dalšího p irozen se vyskytujícího se oxidu dusíku, NO. Oxidace NO na oxid dusi itý, tvorba nitrát a další mechanismy limitují st ední dobu existence jak NO, tak i NO2 v atmosfé e na 3 až 4 dny. Oxidy dusíku zvyšují oxida ní potenciál atmosféry a nep ízniv p sobí na vnit ní orgány. P edpokládá se, že NOx se v krvi váží na ervené krevní barvivo a zhoršují p enos kyslíku z plic do tkán . Ve vyšších koncentracích p sobí NOx dráždiv na dýchací cesty. Ke stanovení NOx jsou používány následující metody: 92 a) b) c) d) Chemiluminiscen ní Fotometrická Coulometrická N které další a) Chemiluminiscen ní metoda je založena na t chto reakcích: NO + O3 → NO2* + O2 NO2* → NO2 + hv Oxid dusnatý je oxidován ozonem na NO2, p i emž ást molekul p ejde do metastabilního excitovaného stavu NO2*. Z tohoto stavu p echází okamžit zp t do základního stavu za vyzá ení sv telného kvanta. Emitované zá ení se m í p i vlnové délce 700 až 900 nm. Metoda umož uje stanovení okamžitých koncentrací NOx. Nejmenší detegovatelné množství je asi 1 µg.m-3. Metoda je vysoce selektivní, nebo ostatní složky ovzduší nedávají chemiluminiscenci p i této vlnové délce. b) Fotometrická metoda je založena na absorpci NO2 v kyselém prost edí v roztoku kyseliny octové a sulfanilové s následnou diazota ní a kopula ní reakcí. Absorpce m že probíhat i v alkalickém prost edí 0,1 M NaOH s p ídavkem methoxyfenolu. ervené zabarvení se m í fotometricky p i 560 nm. Fotometrická metoda umož uje stanovení pr m rných koncentrací NO2 v ovzduší. Specifická chemická reakce zajiš uje metod vysokou selektivitu. c) Coulometrická metoda umož uje stanovení NO2 v ovzduší podle reakce: NO2 + H 2 O + 1 / 2 I 2 → HNO3 + HI Ke stanovení slouží automatický analyzátor totožný s tím, který je používán ke stanovení SO2. Metoda umož uje stanovení krátkodobých koncentrací NO2. d) Jiné metody: plynová chromatografie, infra ervená spektrometrie. NH3 – amoniak Pat í mezi b žné kontaminanty. Dráždí horní cesty dýchací a v koncentraci 5000 ppm (v/v) rychle usmrcuje. Také je p vodcem chemického smogu. K jeho stanovení se používá p ístroj ur ený pro stanovení NOx chemiluminiscen ní metodou. Vzduch ur ený k m ení se vede trubicí z nerezové oceli zah átou na 750 oC. Vrstvi ka oxid v trubici zoxiduje amoniak na oxid dusnatý a ten je stanoven spole n s NO p ítomným ve vzduchu. CO – oxid uhelnatý P evážná ást je produkována nedokonalým spalováním fosilních paliv. Oxid uhelnatý je siln toxický. S krevním barvivem vytvá í velmi pevný karboxyhemoglobin, což vede k omezení p enosu kyslíku z plic do krevního ob hu. V ovzduší p echází fotochemickou oxidací na CO2. Oxidace probíhá velmi pomalu. Ke stanovení CO se používají následující metody: a) Infra ervená spektrometrie b) Chromatografická c) Titra ní d) N které další 93 Chromatogragická metoda umož uje diskontinuální stanovení CO v krátkých asových intervalech. Dobré d lení se provádí na kolonách délky 1 až 2 m pln ných molekulovým sítem. K detekci slouží plamenový ioniza ní detektor, který deteguje množství methanu vzniklé reakcí CO a vodíku v p ítomnosti Ni katalyzátoru. Nejmenší stanovitelná koncentrace CO iní asi 0,1 mg.m-3. P edností GC je její selektivita, nebo možné interferující složky jsou na kolon odd leny. Metoda titra ní je založena na oxidaci CO oxidem jodi ným. Vzorek je veden vrstvou I2O5 p i teplot 130 až 140 oC. Uvoln né páry jodu jsou jímány v odm rném roztoku arsenitanu o známém titru. Nezreagovaný arsenitan je stanoven zp tnou titrací jodem. 5 CO + I 2 O5 → 5 CO2 + I 2 I 2 + AsO33− + H 2 O → AsO43− + 2 HI Oxid uhelnatý je možno katalyticky oxidovat na CO2, nap . na oxidu m natém p i 700 oC. CO2 se potom absorbuje v hydroxidu barnatém a stanoví se titra n nebo gravimetricky. Zna ný význam má použití detek ních trubi ek, které indikují p ítomnost CO na n kterých rizikových pracovištích. Trubi ky obsahují silikomolybdenanový komplex a palladnatou s l jako katalyzátor. V p ítomnosti CO vzniká modré zabarvení. Lehké uhlovodíky (C1 až C4) Nízkomolekulární nasycené uhlovodíky nemají toxické ú inky a jsou v ovzduší po dlouhou dobu stálé. Nenasycené jsou reaktivn jší a mají lehce narkotické ú inky. Uhlovodíky ve spalinách je možno stanovit I spektrometrií nebo plynovou chromatografií s plamenovým ioniza ním detektorem. Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU) Pat í mezi prokázané chemické karcinogeny. Do životního prost edí se dostávají p i spalování fosilních paliv a p i zah ívání a pyrolýze jakékoliv organické látky. Jsou to látky pom rn stabilní. Tyto látky lze stanovit elektronovou spektrometrií (m ení fluorescence a fosforescence), chromatografií na tenké vrstv , plynovou chromatografií, vysoceú innou kapalinovou chromatografií. Prachové ástice Stanovují se gravimetricky. P i tomto m ení se ástice shromaž ují na filtru ze skelných mikrovláken, p es který se po dobu 24 hodin prosává známé množství vzduchu, b žn 2000 m3. Filtr se zváží p ed a po expozici a výsledky se udávají v µg.m-3. Slou eniny fluoru Stanovení vychází ze skute nosti, že ást fluoru je vázána na prachových ásticích a ást je p ítomna v plynné form . Fluorovodík se zachycuje na papírových filtrech napušt ných NaHCO3 a glycerinem. Výluhy z filtr se potom analyzují na obsah fluoridových iont , bu fluoridovou ISE, nebo iontom ni ovou chromatografií. 94 Analýza p d V p dních vzorcích se zjiš uje: a) p dní reakce, obsah uhli itanu a pot eba vápn ní, b) obsah p ístupného fosforu, draslíku, ho íku a vápníku, c) kationtová vým nná kapacita. V p dních vzorcích z pozemku chmelnic, vinic, intenzivních sadu a zeliná ských ploch se dále zjiš uje obsah m di, zinku, manganu, železa, boru a molybdenu jako stopových živin výb rov podle p stovaných kultur. V p dních vzorcích z pozemku s rizikem vstupu nežádoucích látek do potravního et zce sleduje ústav následující rizikové prvky a rizikové látky: 1. Rizikové prvky - As, Be, Cd, Co, Cr, Cu, F, Hg, Mo, Ni, Pb, V, Zn, Tl. 2. Rizikové látky - Polycyklické aromatické uhlovodíky–stanoveny jako sou et 16 individuálních uhlovodík (naftalen, acenaftylen, acenaften, fluoren, fenantren, antracen, fluoranten, pyren, benzo(a)antracen, chrysen, benzo(b)fluoranten, benzo(k)fluoranten, benzo(a)pyren, dibenzo(ah)antracen, benzo(ghi)perylen, ideno(1,2,3-cd)pyren), chlorované uhlovodíky, polychlorované bifenyly (PCB), extrahovatelný organicky vázaný chlor (EOCl), adsorbovatelný organicky vázaný chlor (AOCl), persistentní organochlorové pesticidy, polychlorované dibenzodioxiny (PCDD) a dibenzofurany (PCDF). Agrochemické zkoušení zem d lských p d a sledovaní rizikových prvk a rizikových látek zahrnuje: a) zjiš ování výsledku chemických rozbor jednotlivých zkoušených pozemk , v etn pr m rných hodnot t chto výsledk , b) agronomické zhodnocení stavu jednotlivých zkoušených pozemk , c) zhodnocení vývoje agrochemických vlastností zkoušených zem d lských p d pr b žn a za období 6 let, d) zjiš ovaní aktuálního stavu kontaminace zem d lských p d, v etn vedení seznamu kontaminovaných pozemk , e) zjiš ování a hodnocení pr b žných výsledk monitoringu zem d lských p d se zam ením na ochranu potravního et zce p ed vstupy nežádoucích látek. V p ípadech stanovených zákonem o hnojivech agrochemické zkoušení zem d lských p d zahrnuje rovn ž mikrobiologické a fyzikální rozbory. Principy chemických rozbor zem d lských p d Základní p dní parametry Stanovení pH Mezi vyluhovacím roztokem a p dou se ustavuje rovnováha mezi ionty vodíku v roztoku a ionty vodíku vázanými v sorp ním komplexu p dy. Aktivita iont vodíku se m í v p dní suspenzi sklen nou iontov selektivní elektrodou. Stanovení obsahu uhli itan Uhli itany v p d se rozkládají kyselinou chlorovodíkovou. Objem uvoln ného oxidu uhli itého je úm rný obsahu uhli itan ve vzorku. 95 Stanovení podílu vodíku (H+ ) v sorp ním komplexu p dy pH tlumivého roztoku p idaného do p dní suspenze se zm ní vlivem uvoln ných hydroxoniových iont . Závislost je v b žném rozsahu p dních vzork lineární a zm na pH suspenze po p idání tlumivého roztoku se vyjád í jako množství uvoln ných hydroxoniových iont ze sorp ního komplexu p dy. Stanovení obsahu p ijatelných živin podle Mehlicha III P da se extrahuje kyselým roztokem, který obsahuje fluorid amonný pro zvýšení rozpustnosti r zných forem fosforu vázaných na železo a hliník. V roztoku je p ítomen i dusi nan amonný ovliv ující desorpci draslíku, ho íku a vápníku. Kyselá reakce vyluhovacího roztoku je nastavena kyselinou octovou a kyselinou dusi nou. Vyluhovací roztok dob e modeluje p ístupnost živin v p d pro rostliny. Koncentrace ho íku a vápníku v extraktu se stanoví metodou atomové absorp ní spektrofotometrie po odstran ní rušivých vliv p ídavkem lanthanu. Koncentrace draslíku se stanoví metodou plamenové fotometrie a koncentrace fosforu se stanoví spektrofotometricky po reakci s molybdenanem v kyselém prost edí jako molybdenová mod . Stanovit ho ík, draslík a vápník lze i metodou optické emisní spektrometrie v induk n vázaném plazmatu. Ve všech p ípadech se využívá metoda kalibra ní k ivky. Stanovení stopových živin Stanovení m di, zinku, manganu a železa v extraktu podle Lindsaye a Norvella P da se extrahuje roztokem: 0,1 mol.1-1 triethanolaminu, 0,01 mol.1-1 chloridu vápenatého a 0,005 mol.1-1 DTPA (kyselina dietylentriaminopentaoctová), pH upraveno na hodnotu 7,3. Extrakce probíhá za p esn definovaných podmínek p i pom ru p da : extrak ní roztok 1: 2 (w/v). Stanovení jednotlivých prvk se provádí metodou atomové absorp ní spektrofotometrie, p ípadn metodou optické emisní spektrometrie v induk n vázaném plazmatu metodou kalibra ní k ivky. Stanovení boru Vzorek p dy se extrahuje definovaným zp sobem vodou za varu. V extraktu se stanoví bor spektrofotometricky metodou kalibra ní k ivky po reakci s azomethinem-H, kdy vzniká oranžovožlutý komplex p i pH 4–5. Zbarvené organické látky se odstraní oxidací manganistanem. Vliv rušících iont je odstran n p ídavkem kyseliny askorbové. Bor je možné stanovit i metodou optické emisní spektrometrie v induk n vázaném plazmatu metodou kalibra ní k ivky. Stanovení molybdenu V p dním extraktu se molybden stanoví atomovou absorp ní spektrofotometrií s elektrotermickou atomizací po extrakci komplexu molybdenu s 8-hydroxychinolinem do chloroformu p i pH 1,6–5,6. P i extrakci dochází sou asn k odstran ní nejzávažn jších rušivých prvk a k zakoncentrování molybdenu. Koncentrace molybdenu se stanoví metodou kalibra ní k ivky. Stanovení cizorodých látek Stanovení rizikových prvk Upravený vzorek p dy se extrahuje sm sí kyseliny chlorovodíkové a kyseliny dusi né (3+1, v+v) za varu. Obsahy jednotlivých prvk v extraktu se stanoví nejvhodn ji metodou optické emisní spektrometrie v induk n vázaném plazmatu, p ípadn metodou hmotnostní 96 spektrometrie v induk n vázaném plazmatu. Lze využít i atomovou absorp ní spektrofotometrií s atomizací v plameni nebo elektrotermickou, p ípadn hydridovou metodu. Stanovení polycyklických aromatických uhlovodík (PAH) P da se extrahuje vhodným organickým rozpoušt dlem (aceton, toluen, sm s hexan+aceton). Obsah jednotlivých PAH v extraktu se stanoví metodou vysokoú inné kapalinové chromatografie s fluorescen ním detektorem nebo plynovou chromatografií s hmotnostním detektorem. Stanovení obsahu extrahovatelného organicky vázaného chloru (EOCl) V extraktu se stanoví obsah EOCl po rozkladu p i vysoké teplot mikrocoulometrickou titrací. Stanovení obsahu adsorbovatelného organicky vázaného chloru (AOCl) Slou eniny s organicky vázaným chlorem se adsorbují na aktivní uhlí. Po termickém rozkladu se jejich obsah stanoví mikrocoulometrickou titrací. Stanovení chlorovaných uhlovodík , polychlorovaných bifenyl (PCB), persistentních organochlorovaných pesticid , polychlorovaných dibenzodioxin (PCDD) a dibenzofuran (PCDF) P da se extrahuje vhodným organickým rozpoušt dlem (hexan+aceton). Extrakt se po p e išt ní na sloupci modifikovaného silikagelu analyzuje metodou plynové chromatografie hmotnostním detektorem. Stanovení oxidovatelného uhlíku Oxidovatelný organicky vázaný uhlík v zemin se oxiduje kyselinou chromovou v prost edí nadbytku kyseliny sírové za definovaných podmínek. Výsledky vyjád ené v % Cox je možno p epo ítat na % humusu za p edpokladu, že huminové kyseliny obsahují 58 % C. Stanovení celkového dusíku P dní vzorek se mineralizuje za mokra koncentrovanou kyselinou sírovou za p ítomnosti katalyzátoru (Kjeldahlova metoda), p i níž se organické slou eniny N oxidují na NH4+, který se po destilaci stanoví neutraliza ní titrací nespot ebovaného nadbytku kyseliny odm rným roztokem zásady. Stanovení potenciální kationtové vým nné kapacity Sorp ní komplex p dy se nasytí ionty barya opakovanou extrakcí roztokem chloridu barnatého upraveného na hodnotu pH 8,1. V eluátu se acidimetrickou titrací stanoví vým nný vodík. Ve druhém kroku se sorbované baryum ze vzorku vyt sní roztokem chloridu ho e natého. Ve druhém eluátu se stanoví baryum, jehož koncentrace je p ímo úm rná potenciální kationtové vým nné kapacit . 97 Analýza odpad Vyhláška . 383/2001 Sb. Ministerstva o podrobnostech nakládání s odpady životního prost edí Z hlediska analytické chemie jsou d ležité následující p ílohy této vyhlášky: P íloha . 4 k vyhlášce . 383/2001 Sb. Hodnocení vyluhovatelnosti odpad P íloha . 5 k vyhlášce . 383/2001 Sb. Analytické metody pro rozbory vodných výluh odpad P íloha . 6 k vyhlášce . 383/2001 Sb. T ídy vyluhovatelnosti Hodnocení vyluhovatelnosti odpad Využití vyluhovatelnosti odpad je doporu eno zejména p i: − laboratorních postupech p ípravy vodného výluhu odpad − stanovení t íd vyluhovatelnosti k posuzování odpad z hlediska napln ní kritérií stanovených pro jejich odstra ování uložením na skládky odpad nebo pro jejich využívání do rekultiva ní vrstvy skládek nebo umíst ním do podzemních prostor a na povrch terénu v souladu s požadavky vyhlášky . 383/2001 Sb. − hodnocení nebezpe ných vlastností odpad H13 a H14 v souladu s požadavky vyhlášky . 376/2001 Sb. − posuzování správnosti postup pro získání vodného výluhu odpadu a stanovení t ídy vyluhovatelnosti nebo hodnocení nebezpe ných vlastností odpad H13 a H14, v etn obsahu p íslušné dokumentace − p i odb rech vzork odpad P íprava a analýza vodného výluhu Vzorek pevného odpadu (analytický vzorek o zrnitosti menší než 4 mm) je za definovaných podmínek vyluhován vodou. Postup je založen na p edpokladu, že se v pr b hu zkoušky dosáhne úplné nebo p ibližné rovnováhy mezi ve vod rozpušt nou a pevnou fází jednotlivých složek obsažených v odpadu. Pevná fáze (nerozpušt né složky) je následn odstran na filtrací. S filtrátem se dále zachází jako se vzorkem vody a sledované ukazatele se stanovují metodami uvedenými v p íloze . 5 vyhlášky . 383/2001 Sb. Vlastní p íprav výluhu p edchází stanovení podílu sušiny v samostatném analytickém vzorku. Výluh se p ipravuje z analytického vzorku odpadu. Do p íslušné vzorkovnice se naváží takové množství analytického vzorku, aby po dopln ní vody byl ve vzorkovnici pom r vody a pevné fáze odpadu (v p epo tu na vysušený vzorek) L/S 10/1. Kvalita kapalné fáze obsažené v odpadu se nezjiš uje a má se za to, že odpovídá vod . Vzorkovnice se po napln ní vzorkem a vodou uzav e a umístí do t epa ky. T epe se 24 hodin. Analýzou vodného výluhu se získají hmotnostní koncentrace ve výluhu obsažených rozpušt ných složek. Výsledky analýzy zam ené na zjišt ní hodnot jednotlivých stanovených ukazatel se uvád jí na tolik platných míst, aby pouze poslední místo bylo zatíženo nejistotou, a v jednotkách, které jsou uvedeny u jejich limitních hodnot v tabulkách jednotlivých t íd vyluhovatelnosti. Stejné zásady platí p i uvád ní hodnot ze zkoušek výluhu pro hodnocení 98 nebezpe né vlastnosti H13. Výsledky stanovení chemických ukazatel se vyjad ují v [mg.l-1], stanovení konduktivity v [mS.m-1], výsledky ekotoxikologických test v [ml.l-1]. P íloha . 6 k vyhlášce . 383/2001 Sb. T ídy vyluhovatelnosti Ukazatel pH Konduktivita Ekotoxicita DOC (rozpušt ný organický uhlík) Fenolový index Amonné ionty Chloridy Dusi nany Dusitany Fluoridy Kyanidy celkové Kyanidy snadno uvolnitelné Sírany Ag Al As B Ba Be Cd Co Cr celkový Cu Fe Hg Mn Ni Pb Sb Se V Zn Jednotka mS/m ml/l mg/l Lim. hodnota pro I. t ídu 5,5 – 11 250 negativní 10,0 Lim. hodnota pro II. t ídu 5,5 – 12 600 100 30,0 Lim. hodnota pro III. t ídu 5,5 – 13 2000 mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 0,1 3,0 500 100 1,0 3,0 0,1 0,02 1,0 5,0 100 mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 500 0,1 2,0 0,05 1,0 1,0 0,005 0,005 0,1 0,1 0,5 5,0 0,002 1,0 0,1 0,1 0,05 0,05 0,2 5,0 1,0 5,0 0,5 0,1 0,1 10,0 0,1 3,0 10,0 20,0 10,0 5,0 0,05 0,5 1,0 1,0 0,5 0,005 10,0 0,5 0,5 0,1 0,1 0,2 5,0 0,05 50,0 50,0 10,0 5,0 99 Zp soby m ení neznámých vzork Úkolem kvantitativní analytická chemie je stanovovat obsahy i koncentrace, n kdy p ípadn množství nebo hmotnosti vybraných látek ve vzorcích materiál , tj. stanovovat ur itou kvantitativní veli inu. P i daném stanovení provádíme se vzorkem specifické operace a m íme pot ebné fyzikální veli iny (jak jste m li možnost poznat nap . p i studiu jednotlivých analytických metod v této u ebnici) a z nam ených hodnot vypo teme žádaný kvantitativní údaj. Musíme tedy um t vyjád it matematický vztah mezi m enými veli inami a stanovovanou kvantitativní veli inou - analytickou funkci. Podle povahy tohoto vztahu lze analytické metody rozd lit na metody absolutní a relativní. Absolutní metody V p ípad , že k vyjád ení vztahu mezi m enými veli inami a hledanou kvantitativní veli inou nám sta í pouze základní fyzikální konstanty a obecn platné veli iny, které jsou z ejmé z teorie i je m žeme najít v tabulkách (byly p esn zm eny p edchozími generacemi v dc ), nic nám principieln nebrání v tom, abychom vypo ítali stanovovanou kvantitativní veli inu z výsledk m ení provedeném pouze na stanovovaném vzorku. Takové metody nazýváme metody absolutní. Pat í k nim nap . gravimetrie, kdy z hmotnosti navážky vzorku a hmotnosti izolované stechiometricky definované slou eniny za užití stechiometrie a relativních atomových i relativních molekulových hmotností vypo teme nap . obsah stanovované látky ve vzorku. Obdobn p i titra ních stanoveních z navážek vzorku a základní látky a ze zm ených objem roztok odm rných inidel lze vypo ítat žádaný kvantitativní údaj, p i emž pot ebujeme op t pouze znalost stechiometrie reakcí, na nichž je stanovení založeno a relativní atomové a molekulové hmotnosti. Pat í sem také coulometrie, kdy hmotnost stanovované látky, m žeme vypo ítat na základ Faradayova zákona z nam eného elektrického náboje pot ebného k reakci látky na elektrod , všechny další pot ebné hodnoty veli in a konstant vystupujících v tomto zákon jsou z ejmé ze stechiometrie i je lze najít v tabulkách. Relativní (srovnávací) metody V p ípad t chto metod k vyjád ení vztahu mezi sledovanou kvantitativní veli inou a veli inou m enou, vztah se nazývá analytická funkce, nevysta íme pouze s teorií a s tabelovanými konstantami a veli inami. Neznamená to však, že by se analytická funkce v tomto p ípad neopírala o známé fyzikáln chemické zákonitosti a nebylo ji možno jednozna n a objektivn vyjád it. Pouze je tento vztah více i mén závislý na podmínkách provád ného m ení nebo p ístroje a k jeho vyjád ení pak nesta í jen obecn platné konstanty a obecn známé hodnoty veli in. V takovém p ípad je nutnou sou ástí m ení i ur ení analytické funkce. Vztah mezi hledanou kvantitativní veli inou, nap . koncentrací - c, a veli inou m enou na analytickém p ístroji, tj. signálem p ístroje – S, tedy analytickou funkci S = f (c) ur íme ze zm ených signál roztok , u nichž známe koncentraci stanovované látky, pak hovo íme o metod kalibra ní k ivky, nebo ze zm ených signál roztok , u nichž známe p ír stky koncentrací po p ídavcích sledované látky ke stanovovanému vzorku, pak se jedná o metodu standardních p ídavk . Z výsledk t chto m ení tedy ur íme pot ebné konstanty do matematické rovnice vyjad ující analytickou funkci; tvar této rovnice (zda to bude nap . rovnice p ímky, paraboly nebo exponenciály) je znám z teorie. M eným signálem rozumíme nap . absorbanci p i atomové absorp ní spektrometrii, nebo p i absorp ní spektrofotometrii, 100 intenzitu zá ení p i emisní spektrometrii nebo elektrický proud p i polarografii nebo index lomu u refraktometrie atd. (viz jednotlivé metody). Metoda kalibra ní k ivky P ipravíme tzv. standardní roztoky, tj. roztoky se známými rostoucími koncentracemi stanovované látky. P íslušnou m icí metodou prom íme signály odpovídající t mto roztok m a tak dostaneme dvojice hodnot signál – koncentrace. Nam ené hodnoty vyneseme do grafu, kdy na svislou osu (y) vynášíme hodnoty signálu S a na osu vodorovnou (x) vynášíme koncentrace c, tj. vynášíme závislost signálu na koncentraci. Takto nakreslené body charakterizující hledanou závislost. V d sledku chyb p i m ení však tyto nam ené body neleží p esn na k ivce hledané závislosti. Kalibra ní závislost pak odhadneme proložením plynulé k ivky mezi nam enými body. Nikdy neprokládáme kalibra ní závislost tak, že bychom spojovali sousední body p ímkami. Pro adu analytických metod vyplývá z teorie, že hledaná závislost je p ímka.Vhodn jší zp sob proložení takové kalibra ní p ímky nebo k ivky než pouhé ru ní grafické zakreslení je prokládání na základ statistického výpo tu – regresí. P i prokládání kalibra ní p ímky, tj. rovnice tvaru S = a + b⋅c hledáme konstantu a, což je úsek vyt ený p ímkou na ose y, a konstantu b, což je sm rnice p ímky. Z lekcí statistiky si p ipomeneme, že za použití programu Microsoft Excel lze úsek na ose y vypo ítat pomocí funkce „intercept“ a sm rnici funkcí „slope“. Lze použít i funkci „linregrese“, kterou m žeme vypo ítat nejen konstanty p ímky, ale i konstanty pro vyšší polynom, pokud prokládáme k ivku. T etí možný zp sob regresního zpracování v uvedeném programu je vytvo ení grafu za použití „pr vodce grafem“, kdy vybereme XY graf, podtyp bodový a po zakreslení samotných bod do grafu proložíme p ímku, p ípadn k ivku „p idáním spojnice trendu“; lze volit i sou asné zobrazení rovnice kalibra ní závislosti. P ed vynášením signál do grafu neode ítáme p edem signál standardu s nulovou koncentrací od signál ostatních standard (což bývá n kdy požadováno ve starších u ebnicích), protože tímto úkonem stejn nedostaneme nulový úsek na ose signál , tedy nap . p ímku procházející po átkem, a navíc p i prokládání k ivky tím m níme zak ivení kalibra ní závislosti. (Volba výpo tu p ímky procházející p ímo po átkem není doporu ována, a to i když teoretický kalibra ní vztah je práv p ímka bez úseku na ose y - viz texty statistiky.) S Sx 0 Cx c Obr. Kalibra ní k ivka 101 Na p edcházejícím obrázku je znázorn no proložení p ímky body nam enými na kalibra ních standardech. Po nalezení kalibra ní závislosti vyneseme signál pro vzorek Sx do grafu a na vodorovné ose ode teme odpovídající koncentraci stanovované látky cx v roztoku vzorku (viz obr. Kalibra ní k ivka). V p ípad vyjád ení kalibra ní závislosti pouze ve form matematické rovnice, dosadíme do rovnice signál nalezený pro roztok vzorku a vypo teme neznámou c – koncentraci m ené látky. Metoda standardního p ídavku Metoda standardního p ídavku se používá, pokud mezi signálem a koncentrací platí p ímá úm ra - kalibra ní závislost je dle teorie p ímka procházející po átkem (mezi signálem a koncentrací je lineární závislost a roztok, v n mž je nulová koncentrace stanovované látky, dává nulový signál). Do dvou odm rných ban k stejného objemu p ipravíme roztoky tak, že do obou dáme stejné známé dávky vzorku a do jedné z nich p idáme známé množství látky, kterou chceme ve vzorku stanovovat, a ba ky doplníme po zna ku (viz následující obrázek). Obr. P íprava vzork p i metod standardního p ídavku Neznámou, ur ovanou koncentraci sledované látky v roztoku vzorku ozna me cx. Koncentrace sledované látky v roztoku vzorku s p ídavkem bude v tší o známý p ír stek cs zp sobený p ídavkem; celková koncentrace v roztoku s p ídavkem je tedy rovna cx + cs. Prom íme signály obou roztok ; nam ené signály ozna me Sx pro roztok vzorku a S jako celkový signál pro roztok s p ídavkem. Na základ výše uvedených p edpoklad jsou tyto signály úm rné p íslušným koncentracím stanovované látky v roztocích. S x = k ⋅ cx S = k ⋅ (c x + c s ) Spole nou konstantu úm rnosti - k, ur íme tak, že ode teme horní rovnici od spodní - levou stranu od levé a pravou stranu od pravé, dostáváme S − S x = k ⋅ cs tj. p ír stek signálu S proti Sx je úm rný pouze p ír stku koncentrace zp sobené p ídavkem. Z této rovnice vyjád íme konstantu k S − Sx =k cs a konstantu dosadíme do rovnice pro Sx 102 S − Sx cx cs Z ní pak vyjád íme neznámou koncentraci cx Sx cx = cs S − Sx Sx = S Sx - cx 0 cs Obr. Grafické vyhodnocení metody standardního p ídavku Výsledek je možné získat i grafickým ešením (viz obr. výše). Do grafu zakreslíme nam ené hodnoty: na vodorovnou osu vyneseme koncentrace p ídavk do roztok a proti nim na svislou osu vyneseme nam ené hodnoty signál , tj. signál Sx pro roztok vzorku bez p ídavku vyneseme p ímo na osu y (nulová koncentrace p ídavku) a pro roztok s p ídavkem vyneseme S proti cs. Zakreslenými body proložíme p ímku, kterou protáhneme tak, aby protínala vodorovnou osu v záporné oblasti. Absolutní hodnota koncentra ní sou adnice nalezeného pr se íku (na obr. ozna eno -cx) je hledaná koncentrace m ené látky v roztoku vzorku. P esn jší postupy pracují s n kolika r zn velkými p ídavky ke vzorku – metoda standardních p ídavk . P ipravíme tedy roztok vzorku s neznámou koncentrací stanovované látky, cx, a roztoky vzorku s p ídavky, jejichž koncentrace jsou vyšší o známé p ír stky pocházející z p ídavk ; p ír stky ozna íme c1, c2, c3 a p ípadn další. Bývá doporu ováno pracovat až s šesti p ídavky; obvykle se pracuje jen se t emi p ídavky, p i emž p ír stek koncentrace pro jeden z p ídavk by pak m l být p ibližn stejn velký jako je stanovovaná koncentrace cx, jeden polovi ní a poslední dvojnásobný. Zm íme signály všech roztok ; nam ené signály ozna me Sx pro roztok vzorku a S1, S2, S3, ... pro roztoky s p ídavky. Pokud je závislost mezi signálem a koncentrací vyjád ena jako p ímka procházející po átkem, musí pro signály platit následující rovnice: Sx = k ⋅ c x S1 = k ⋅ (c x + c1 ) S 2 = k ⋅ (c x + c 2 ) 103 atd. Do grafu vyneseme na osu y signály Sx, S1, S2, atd. a proti nim a na osu x p ír stky koncentrací, tj. 0, c1, c2 , atd. (signál Sx tedy vynášíme p ímo na osu y). Zakreslenými body proložíme p ímku ru n nebo regresí (v grafech vytvá ených programem Microsoft Excel, viz p edchozí výklad, použijeme „p idání spojnice trendu“, v „možnostech“ si ozna te „odhad“, „nazp t“ a dostate ný po et jednotek, tak aby zakreslená p ímka protla osu x v záporné ásti). Absolutní hodnota x-ové sou adnice pr se íku nalezené p ímky a osy x je hledaná koncentrace m ené látky v roztoku vzorku. Problém je možné ešit také pouze statistickým výpo tem. Ze všech koncentrací p ír stk (0, c1, c2 , atd) a nam ený signál (Sx, S1, S2, atd.) ur íme regresí (viz p edchozí výklad) rovnici p ímky pro závislost signálu S na p ídavku c S = Sv + k ⋅ c kde Sv je úsek na ose y, který p edstavuje signál odpovídající koncentraci cx ovšem získaný vyrovnáním ze všech m ení - m l by být p ibližn stejný jako Sx, ale je ur en p esn ji, sm rnice je hledaná konstanta úm rnosti k pro rovnici úm rnosti signál-koncentrace S = k ⋅c Koncentraci m ené látky v roztoku vzorku tedy vypo teme z rovnice S cx = v k Metoda standardního p ídavku se používá asto tehdy, když závislost mezi signálem a koncentrací stanovované látky je jiná pro isté roztoky standard a jiná pro roztok vzorku, protože v n m jsou p ítomny další látky, které ovliv ují pr b h závislosti – u p ímkové závislosti se v tomto d sledku m ní sm rnice b. Touto metodou zjistíme závislost, která platí práv pro sledovaný roztok vzorku. Vyhodnocení analytických m ení Správnost a p esnost m ení Obr. Správnost a p esnost m ení Uvád ní výsledk m ení Obsah složky v analyzovaném systému lze vyjad ovat r znými zp soby, které je t eba volit podle toho, k jakému ú elu údaj o obsahu slouží, podle skupenství analyzovaného vzorku i podílu ur ované složky apod. 104 V analytické chemii se nej ast ji pracuje s kapalnými vzorky. Složení roztok se udává v jejich koncentraci (látkové cA nebo hmotnostní A), která vyjad uje obsah látky v ur itém objemu roztoku, nebo hmotnostním zlomkem, jenž vyjad uje podíl hmotnosti rozpušt né látky z celkové hmotnosti roztoku. Nejpoužívan jší jednotkou v rutinní analýze kapalných vzork je mg.l-1 (g.l-1). Hmotnostním zlomkem složky v procentech se vyjad ují také výsledky analýzy tuhých látek ve vzorku. Tento údaj se nazývá procentový obsah. Velmi malé obsahy látek ve vzorku m žeme udávat v ppm (per partes milion) nebo ppb (per partes bilion). Používání t chto jednotek se nedoporu uje, ale je možné se s nimi setkat. Obsah složky v ppm znamená též její hmotnost v mg na 1 kg vzorku, pop . v µg na 1 g vzorku. Nejistota m ení a podstata jejího vyhodnocení Nejistota m ení je definována jako parametr p idružený k výsledku m ení, který charakterizuje míru rozptýlení hodnot, jež by mohly být d vodn p isuzovány m ené veli in . Jedná se vlastn o odhad charakterizující rozmezí hodnot, v n mž leží skute ná (pravdivá - true) hodnota m ené veli iny. Nejistota m ení m že být kvantifikována jako sm rodatná odchylka, která je užívána jako míra rozptýlení a nebo jako interval, v n mž leží skute ná hodnota m ení s vysokou pravd podobností, jejíž procento si m žeme p edem p ibližn zvolit. Nejistota vymezuje hranice, v nichž je výsledek považován za správný tj. p esný a pravdivý. Nejistota vyjád ená jako intervalový odhad, se principieln kryje s definicí intervalu spolehlivosti (viz výše), rozdíl je vtom, že klasický interval spolehlivosti je ur ován z rozptylu hodnot získaných opakovaným m ením výsledk práv na daném vzorku a p ímo v souvislosti s daným vzorkem. Takto získané intervaly jsou velmi asto podhodnocené, p íliš úzké, takže dva intervalové odhady výsledku m ení stejného vzorku získané v r zných laborato ích nebo s delším asovým odstupem ve stejné laborato i se jeví jako významn odlišné. P í inou je, že p i odhadu intervalu pravd podobných výsledk pro daný vzorek je t eba vzít v úvahu nejen ty zdroje rozptýlení, které se v rámci daného m ení aktuáln projevily, ale i ty, které z staly skryty, protože zp sobovaly jen soustavný posun P i tom ada faktor v laborato i P i ur ování nebo odhadování nejistoty konkrétního postupu a analytu je t eba zajistit, aby odhad bral explicitn v úvahu všechny možné zdroje nejistoty a vyhodnotil významné složky. Skute ná hodnota tohoto vychýlení neboli strannosti, anglicky bias, δ, je nepoznatelná, lze pouze ur it odhad vychýlení – experimentální vychýlení, b. Nejistoty m ení jsou spojeny práv s efekty, které zp sobují, že se p i m ení vyskytují náhodné a systematické chyby. (Pojem chyba m žeme používat vedle pojmu nejistota, ale je t eba oba pojmy vzájemn rozlišovat. Chyba p edstavuje konkrétní rozdíl, nepoznatelný, nam ené hodnoty a skute né, m ené, hodnoty; nejistota charakterizuje možné rozptýlení hodnot.) Je t eba si uv domit, že pojmy náhodná a systematická chyba jsou relativní. Ur itá složka celkové chyby se za jistých podmínek m ení m že chovat jako náhodná, ale za jiných jako systematická (chyba objemu odm rné ba ky se projevuje jako systematická, pokud opakovan pipetujeme daný objem roztoku vzorku stále ze stejné ba ky, ale jako náhodná, pokud pipetujeme s r zných ban k) nebo m že být nahlížena z r zných pohled jako náhodná i systematická (chyba kalibrace je p i m ení dle jedné kalibra ní k ivky chyba systematická a z dlouhodobého hlediska, kdy m íme v r zných dnech podle kalibra ních k ivek r zn nam ených, se jeví jako náhodná). 105 P í inou toho, že výsledek m ení lze stanovit jen s ur itou nejistotou, tj.nelze jej stanovit jako jedinou exaktní hodnotu, jsou efekty, které ovliv ují m ení a zp sobují, že opakovan m ené výsledky m ení jsou rozptýleny i posunuty, tj. jsou zatíženy chybami. Chyba m ení, ε, pat í op t k pojm m idealizovaným, protože je to veli ina nepoznatelná, obdobn jako skute ná hodnota, µ, jejíž pomocí je chyba definována jako rozdíl mezi skute nou hodnotou a nam enou hodnotou x ε = x−µ Chyby m ení rozd lujeme na chyby náhodné a soustavné, neboli také systematické (výsledky zatížené hrubými chybami musí být vylou eny). Chyby náhodné zp sobují, že výsledky m ené opakovan na stejném vzorku jsou rozptýleny podle ur itého pravd podobnostního rozd lení. P i vyhodnocování uvažujeme toto rozd lení v tšinou jako normální (nebo alespo symetrické – bez šikmosti), p epokládáme pro n nulovou st ední hodnotou (tj. že se v pr m ru chyby vyrovnávají) a odhadujeme jeho sm rodatnou – standardní odchylku, a to v tšinou z výsledk opakovaných m ení. Systematické chyby posouvají výsledky m ení o konstantní, kladnou nebo zápornou hodnotu (v širším smyslu slova mají p edvídatelné hodnoty). Skute ná hodnota tohoto vychýlení neboli strannosti, anglicky bias, δ, je nepoznatelná, lze pouze ur it odhad vychýlení – experimentální vychýlení, b. Nejistoty m ení jsou spojeny práv s efekty, které zp sobují, že se p i m ení vyskytují náhodné a systematické chyby. (Pojem chyba m žeme používat vedle pojmu nejistota, ale je t eba oba pojmy vzájemn rozlišovat. Chyba p edstavuje konkrétní rozdíl, nepoznatelný, nam ené hodnoty a skute né, m ené, hodnoty; nejistota charakterizuje možné rozptýlení hodnot.) Je t eba si uv domit, že pojmy náhodná a systematická chyba jsou relativní. Ur itá složka celkové chyby se za jistých podmínek m ení m že chovat jako náhodná, ale za jiných jako systematická (chyba objemu odm rné ba ky se projevuje jako systematická, pokud opakovan pipetujeme daný objem roztoku vzorku stále ze stejné ba ky, ale jako náhodná, pokud pipetujeme s r zných ban k) nebo m že být nahlížena z r zných pohled jako náhodná i systematická (chyba kalibrace je p i m ení dle jedné kalibra ní k ivky chyba systematická a z dlouhodobého hlediska, kdy m íme v r zných dnech podle kalibra ních k ivek r zn nam ených, se jeví jako náhodná). Poznámka. Nejistoty není vhodné ozna ovat podle toho jakými efekty jsou vyvolávány, tj. jako nejistoty náhodné a systematické, nebo je to ozna ení relativní, jak bylo uvedeno výše. Rovn ž nelze hovo it absolutn o tzv. nejistotách typu A a nejistotách typu B. Správn se takto rozlišují zp soby vyhodnocení nejistot, a to vyhodnocení typu A nebo typu B, p i emž danou složku nejistoty lze vždy, alespo principieln , vyhodnotit obojím zp sobem, tj. jak statisticky z výsledk opakovaných m ení – typ A, tak i jiným zp sobem, za použití jiných dostupných informací – typ B. Stejn tak nelze spojovat vyhodnocení typu A nezbytn pouze s nejistotami pocházejícími z náhodných efekt a naopak vyhodnocení typu B pouze s nejistotami pocházejícími ze systematických efekt . P i kvantifikování nejistoty m ení je t eba nejprve identifikovat zdroje nejistot pro dané m ení a vytvo it jejich seznam (je nutno zd raznit, že p esný postup kvantifikace nejistot je t eba hledat). Dále je pak t eba pro tyto zdroje, bu p ímo pro jednotlivé zdroje nebo pro jejich zkombinované skupiny, vyhodnotit jejich vlastní p ísp vky k nejistot celého m ení. Tyto složky nejistot nazýváme standardní nejistoty, ui, a vyhodnocujeme je jako sm rodatné odchylky rozd lení p íslušných „chybových složek“. (U t chto rozd lení jsou p edpokládány, jak výše uvedeno, nulové st ední hodnoty. Pokud by skute nost tomuto p edpokladu odporovala, je t eba rozd lit uvažovanou chybovou složku na dv ásti – náhodnou, tj. rozptylující s nulovou st ední hodnotou, a systematickou, tj. tu, která zp sobuje vychýlení od nuly.) P i tomto vyhodnocování standardních nejistot využíváme té výše uvedené skute nosti, že systematickou chybu lze považovat z vyššího stanoviska za jeden p ípad z možných 106 náhodných chyb (chyb rozptylujících výsledky, které se v pr m ru vyrovnávají) a pro rozd lení t chto chyb ur it sm rodatnou odchylku, tj. p íslušnou standardní nejistotu. Takto postupn vyhodnotíme nejistotní složky pro v tšinu zdroj nejistot z vypracovaného seznamu. Pokud zdroje nejistot vyhodnocujeme z hlediska jediné laborato e, z stanou však vždy alespo dva faktory, které vyvolávají stejné vychýlení všech výsledk v laborato i a pro které nelze za užití dat pouze z této laborato e získat sm rodatnou odchylku rozd lení, kterému bychom mohli p isoudit nulovou st ední hodnotu. Jsou to vychýlení dané analytické metody a vychýlení zp sobené samotnou laborato í p i použití této metody. V sou tu považujeme tato vychýlení pro laborato za vychýlení jediné a to stanovíme vhodn provedenou studií jako celkové vychýlení (celkovou systematickou chybu). asto ur ujeme celkové vychýlení m ením vhodného certifikovaného referen ního materiálu. (Existují i jiné zp soby, nap . stanovením výt žnosti m ením známého p ídavku analytu ke vzorku, nebo porovnáním výsledk získaných sledovanou m icí metodou a metodou referen ní.) Pro tento materiál je známa jeho certifikovaná hodnota, xCRM, ale pouze s deklarovanou nejistotou, uCRM (zde vyjád enou jako standardní nejistota). M ením stanovíme pro tento referen ní materiál náš výsledek, xEXP, (obvykle jako pr m r) se sm rodatnou odchylkou výsledku m ení, sEXP, (sm rodatná odchylka pr m ru). Z uvedených dat vypo teme celkové vychýlení b (odhad skute né systematické chyby δ) b = xEXP − xCRM a kombinovanou nejistotu, s níž bylo vychýlení metody stanoveno - nejistota vychýlení, ub, 2 2 u b = u CRM + s EXP Zjišt ným vychýlením m žeme korigovat všechny výsledky nam ené danou metodou v naší laborato i. Dokument EURACHEM Guide však p edepisuje korekci výsledk , jen pokud je vychýlení statisticky významné, což lze zjistit t-testem t = b / ub Je-li vypo tená hodnota t v tší než kritická hodnota studentova t-rozd lení pro zvolenou hladinu významnosti (obvykle 0,05) a pro daný po et stup volnosti, je hodnota b statisticky významná (signifikantní). Protože po et stup volnosti by bylo t eba ur it jako efektivní pro dané ub, asto se uvažuje, že je dostate n vysoký a jako kritická se pak bere hodnota 2. Je-li vychýlení nevýznamné (ztrácí-li se v nejistot vlastního stanovení), korekce na systematickou chybu se neprovádí. (Korekci je také možné vynechat i v p ípad významného vychýlení, pokud je toto vychýlení zanedbatelné vzhledem k celkové nejistot metody - ta bude zmín na dále.) Nyní máme k dispozici hodnoty standardních nejistot pro všechny uvažované zdroje nejistot a m žeme z nich ur it celkovou nejistotu m ení jako kombinovanou standardní nejistotu, uc. Výpo et se provádí na základ tzv. zákona ší ení nejistot. V nejjednodušším p ípad , pokud všechny zdroje nejistot p sobí aditivn a nejsou korelovány, použijeme vztah uc = 2 u i + u b2 Je nutno zd raznit, že ub se jako nejistotní složka zapo ítává vždy, a korekce na vychýlení byla i nebyla provád na. Po et individuálních standardních nejistot, které kombinujeme, m že být r zný (minimáln budou alespo dv : tzv. mezilehlá p esnost m ení, anglicky intermediate precision, n kdy také nazývaná vnitrolaboratorní reprodukovatelnost, a nejistoty vychýlení). Závisí to na složitosti hodnoceného analytického postupu, na metod vyhodnocení nejistoty, kterou analytik volí (tzv. “bottom-up” nebo “top-down”metody), na analytikov pe livosti, jeho znalostech a zkušenostech a možnostech, které má). Obvykle však sta í vzít v úvahu jen n kolik málo položek, ale je nutné, aby byly co do velikosti rozhodující. V d sledku toho, že zákon ší ení nejistot pracuje s rozptylem (kvadrátem sm rodatné 107 odchylky) jako mírou variability, minoritních nejistoty jsou vedle dominantních automaticky zanedbány. Záv re ným krokem je výpo et tzv. rozší ené, anglicky expanded, nejistoty, U, z celkové kombinované standardní nejistoty m ení U = k ⋅ uc kde veli ina k je koeficient rozší ení (anglicky coverage factor, tedy koeficient pokrytí). Je doporu ováno používat k=2, pouze ve výjime ných p ípadech je volena hodnota 3. Rozší ená nejistota udává polovinu rozsahu nejistotního intervalu, který je pak symetricky rozložen kolem výsledku nam eného na reálném vzorku , x, a leží v rozmezí od x − U do x + U Tento interval pokrývá velký podíl z rozd lení hodnot, které mohou být rozumn p isouzeny m ené veli in . Tento podíl m že být považován za úrove spolehlivosti (coverage probability). Lze p edpokládat, že p i hodnot k=2 je ur ován nejistotní interval s úrovní spolehlivosti p ibližn 95 % a p i k=3 p ibližn 99 %. Podmínkou ovšem je, že rozd lení charakterizované výsledkem a celkovou kombinovanou standardní nejistotou lze považovat za p ibližn normální a nejistota je ur ena s dostate n vysokým efektivním po tem stup volnosti (p esné ur ení je však možné jen pokud všechny složky nejistot p ispívající ke kombinované nejistot byly získány vyhodnocením typu A). Ve v tšin praktických m ení je úrove spolehlivosti p inejlepším pouze p ibližná; nemá smysl zkoušet nap . rozlišit úrove spolehlivosti 95 % a bu 94 % nebo 96 %. Nejistota výsledk použité metody. Ur ování nejistot je v nováno více pozornosti. Je-li t eba ur it nejistoty m ení pro všechny m icí metody používané v dané laborato i standardn na širokou škálu analyt a matric vzork , je z ejm nezbytné p istupovat k tomuto úkolu rutinním zp sobem. V tom p ípad doporu ujeme nerozpitvávat nejistotní p ísp vky v rámci kompletního „ú tu chyb“ (error budget). Lze i vynechat graf p í in a následk (fishbone diagram), jehož p íliš d sledná aplikace m že vést k nep ehlednému bludišti, na jehož základ se pak analytik snaží skombinovat nezvládnutelný po et nejistotních p ísp vk . V nich pak po pokusech samostatn je kvantifikovat asto opakovan zapo ítává p ísp vky pocházející ze stejných efekt , zam uje se jen na ty složky, jejichž zp sob vyhodnocování je v literatu e dob e popsán, i když pro danou m icí metodu nejsou podstatné, a na druhé stran naopak vynechává složky dominantní p ípadn je siln podhodnocuje, protože neví, jak by nejistotní p ísp vky vytypovaných díl ích efekt reálným zp sobem odhadl. Z ejm mén náro ný postup ur ení nejistoty vychází z kombinování nejistotních p ísp vk odrážejících komplexn p sobící efekty z r zných krok postupu, p i emž tyto efekty mohou být z r zných úhl pohledu nazírány bu jako systematické nebo jako náhodn prom nlivé – postup shora dol (top-down). Postup se opírá o data získaná p i validaci metody a p i vnit ním a vn jším ízení jakosti a vede relativn snadno k reálnému odhadu nejistoty. Výsledek = skute ná hodnota + vychýlení metody + vychýlení laborato e + vychýlení b hu + chyba opakovatelnosti K tomuto schématu lze mít výhrady, nap . že opomíjí n které faktory (nap . chyby m ení vyvolané interferencí matrice vzorku, která je do jisté míry prom nlivá v rámci daného typu vzorku) a dokonce i zásadní p ipomínku, že neodpovídá zcela konceptu nejistot dle ISO Guide, v n mž se zám rn neoperuje s pojmem „skute ná hodnota“. Umož uje nám však pochopit relativnost pojm „náhodná chyba“ a „systematická chyba“ ve smyslu ISO Guide. Náhodné hyby zp sobují, že výsledky m ení získané opakováním m ení za ur itých podmínek se od sebe vzájemn liší a mají tedy ur ité rozd lení. SD tohoto rozd lení p edstavuje standardní nejistotu, která m že pocházet z jednoho, p ípadn z více zdroj . 108 Hodnotu této SD lze odhadnout práv z výsledk m ení stejného vzorku opakovaných za ur itých podmínek. Systematické chyby (máme na mysli systematické chyby ozna ované obvykle jako konstantní a proporcionální) zp sobují, že výsledky získané opakovaným m ením jsou všechny stejn vychýleny (o stejnou hodnotu – konstantní, p ípadn relativn stejn - proporcionální). I tyto chyby m ení, i když nezp sobují variabilitu výsledk , p ispívají k nejistot výsledk . Snažíme se totiž ur it hodnotu systematické chyby pro m ení provád ného za ur itých podmínek, tak abychom mohli naše výsledky na tuto chybu p ípadn korigovat. Toto stanovení pot ebné celkové korekce výsledk (systematické chyby vychýlení) je pochopiteln spojeno s ur itou nejistotou, kterou lze op t kvantifikovat jako SD rozd lení možných hodnot stanoveného vychýlení. Celkovou kombinovanou nejistotu výsledk m ení lze pak získat kombinací standardních nejistot pro oba typy chyb. Žeb ík chyb znázor uje hierarchii chyb a je z n j z ejmé, že rozd lení chyb na náhodné a systematické je relativní a závisí na úhlu pohledu (na jakém stupni žeb íku stojíme). Žeb ík chyb na obrázku tedy ukazuje: 1. Paralelní výsledky pro stejný vzorek získané v jediném b hu m ení (tj. za podmínek opakovatelnosti) se budou od sebe lišit v d sledku všech možných chyb, které se projevily za daných podmínek jako náhodné (bez ohledu na to, zda to byly nap . náhodné chyby p i dopl ování odm rných ban k dvou paralelních rozklad i náhodné chyby p i dávkování vzorku do p ístroje, i náhodná fluktuace citlivosti p ístroje b hem m ení). Všechny další chyby se projeví jako systematické a lze odhadnout jejich spole nou sumu jako celkové vychýlení všech výsledk m ených v daném b hu (nap . m ením typického referen ního materiálu spole n s prom ovanými neznámými vzorky v daném b hu). Tímto stanoveným vychýlením je pak možné v p ípad jeho významnosti všechny výsledky získané v daném b hu korigovat. Celkovou standardní nejistotu lze tedy ur it v rámci jedné laborato e kombinací SD opakovatelnosti a standardní nejistoty stanoveného spole ného vychýlení pro konkrétní daný b h - postup dle G. E. O’Donnella a D. B. Hibberta. 2. Výsledky m ení pro stejný vzorek v r zných b zích, tj. za podmínek mezilehlé p esnosti, se budou lišit navíc proti p edchozímu p ípadu v d sledku chyb, které jsou v rámci jednoho b hu stejné, ale v r zných b zích m ení jsou prom nlivé (nap . chyby p ípravy kalibra ní roztok a prom ení kalibra ní závislosti, které ve výsledku p sobí systematicky v daném b hu, ale liší se pro r zné b hy m ení, nebo zm ny citlivosti spojené se stárnutím p ístroje). Zbylé chyby se op t projeví spole n v celkov stejném vychýlení nebo relativn stejném vychýlení (vychýlení výt žnosti) všech výsledk prom ovaných v ur itém delším asovém období v dané laborato i, tj. jako systematická chyba laborato e. Je z ejmé, že v rámci laborato e lze pak ur it celkovou standardní nejistotu bu ze SD výsledk opakovaných za podmínek mezilehlé p esnosti, nebo ze SD za podmínek opakovatelnosti a SD systematických chyb b h , a dále v obou p ípadech z nejistoty ur ení celkového vychýlení laborato e. 3. Výsledky pro stejný vzorek m ené v r zných laborato ích stejnou metodou (m ení za podmínek reprodukovatelnosti) se budou lišit navíc proti p edchozímu p ípadu v d sledku laboratorních vychýlení, která jsou r zná pro jednotlivé laborato e, a zárove jsou všechny stejn vychýleny v d sledku systematické chyby dané m icí metody. Na základ výsledk mezilaboratorní studie m ení CRM stejnou analytickou metodou je pak možné stanovit nejistotu z reprodukovatelnosti této analytické metody a z nejistoty ur ení její celkové systematické chyby a p ípadn ji modifikovat pro danou laborato . 4. Pokud m íme stejný vzorek r znými metodami v r zných laborato ích, p ispívají nakonec k variabilit výsledk i systematické chyby metod – stávají se náhodnými a 109 lze p edpokládat, že se v pr m ru vyrovnávají, takže pr m r výsledk m ení stejného vzorku r znými metodami lze považovat za nevychýlený odhad „skute né hodnoty“. Skute ná hodnota Vychýlení metody Vychýlení laborato e Vychýlení b hu Chyba opakovatelnosti Hodnoty výsledk Obr. Žeb ík chyb 110
Podobné dokumenty
PDF verze příručky ke stažení - Katedra analytické chemie
Protokoly ............................................................................................................ 20
Synopse přednášek ANC I. LS2005/06
množství. Analytičtí chemici (analytici) pracují na vylepšení spolehlivosti existujících
metod, tak aby vyhověly požadavkům společnosti na kvalitnější chemická měření. Dále
pak upravují osvědčené m...
Analytická učebnice 2010
zlata a stříbra ve vzájemné litině. Později se při hodnocení surovin, v hutnictví a při zkoumání drahých kovů
dělaly zkoušky založené na pozorování změn pří žíhání a tavení vzorků. V počátcích věde...
vukosil silicon universal a
Na ízení Evropského parlamentu a Rady (ES) . 1907/2006 (REACH), sm rnice 67/548/EHS ve zn ní
pozd jších p edpis a 1999/45/ES, seznam závazn klasifikovaných látek dle vyhlášky . 232/2004
Sb. v platn...
KANALIZAČNÍ ŘÁD STOKOVÉ SÍTĚ MĚSTA KLADNA
lokalitu je zpracován samostatný kanaliza ní ád. Dále popisovaná lokalita m sta
Kladna nebude zahrnovat lokalitu Švermov.
Ve m st Kladn žije celkem 67 592 trvale bydlících obyvatel. Z tohoto po tu
...
