Osnova:
1. Klasické metody: gravimetrie a titrace
2. Instrumentální metody: optické: spektrální a nespektrální
3. Bohrův model atomu
4. Emisní atomová spektrometrie
5. Rentgenová fluorescenční spektrometrie
6. Absorpční infračervená spektrometrie
7. Chromatografické metody: vzestupná papírová chromatografie a plynová chromatografie
8. Hmotnostní spektrometrie
1. Klasické metody: gravimetrie a titrace
Analytická chemie je jedním z oborů chemie, který se zabývá zkoumáním chemického složení vzorků látek a směsí.
Dělí se na dva podobory: kvalitativní a kvantitativní.
Kvalitativní se zabývá tím, co přesně látky obsahují nezávisle na jejich množství.
Kvantitativní se zabývá množstvím jednotlivých látek ve zkoumaných vzorcích.
Metody kvalitativní analytické chemie jsou klasické a instrumentální. Metody klasické analytické chemie jso založeny na chemické reakci. Metody instrumentální analytické chemie jsou založeny na fyzikálních vlastnostech.
Mezi klasické metody kvantitativní analýzy patří především gravimetrie a titrace.
Gravimetrie neboli vážková analýza je kvantitativní analytická metoda, která využívá shluku sraženin. Vyrobíme sraženinu v daném vzorku, kterou zfiltrujeme a promyjeme, dále usušíme a nakonec zvážíme.
Příklady sraženin: Fe (OH)3, CaCO3, BaSO4, HgS, AgOH
Titrace neboli odměrná analýza je kvantitativní analytická metoda, která využívá chemické reakce k tomu, abychom zjistili obsah látky ve vzorku. Měří objem titračního činidla, které se spotřebuje, do tak zvaného bodu ekvivalence.
Bod ekvivalence nastává tehdy, když se titrační činidlo a daná složka v objemu rovnají. Určuje se pomoc indikátoru.
2. Instrumentální metody: optické: spektrální a nespektrální
Instrumentální metody jsou základem měření fyzických vlastností, u optických metod je to interakce vzorku s elektromagnetickým vlněním (světlo).
Optické metody jsou spektrální a nespektrální. Spektrální měří výměnu energie. Nespektrální měří rozptyl či odraz, neměří výměnu energie mezi vzorkem a zářením.
Spektrální metody jsou takové, u kterých získáme jako výsledek spektrum. Spektrum je závislost intenzity na vlnové délce. Intenzita představuje množství záření, které bylo emitováno.
Druhy elektromagnetických záření:
rádiové vlnění (30 km – 30 milimetrůmetrů) = wi-fi, rádo
infračervené záření (0,3 nm – 760 nm) = zahřátá tělesa
světlo (760 nm – 390 nm)
ultrafialové záření (400 nm – 10 nm) = neviditelné, škodlivé
rentgenové záření (10 nm – 1 pm) = tvrdé a měkké
záření gama (menší než 300 pm) = zdroj radioaktivity
3. Bohrův model atomu
Bohrův model atomu vychází z planetárního modelu, pokouší se však na chování elektronů v elektronovém obalu aplikovat výsledky kvantové mechaniky. Má kladné jádro, kolem něj elektrony v kruhových cestách. Se vzdáleností od jádra se zhušťují, je mezi nimi nižší energetický rozdíl.
Pokud se elektron pohybuje po dané dráze, má přesně určenou energii. Aby mohl elektron přejít z jedné dráhy do druhé je třeba dodat mu energii, která se musí rovnat energetickému rozdílu daných drah.
Poznámka:
Z chemického hlediska jsou důležité ty oblasti elektromagnetického spektra, které nějakým způsobem souvisejí s chemickým uspořádáním hmoty, nebo se dají jinak prakticky využít. Důležité jsou především vlnové délky, které odpovídají přechodům mezi různými stavy elektronového obalu atomu, změnám ve vibracích chemických vazeb, rotačním stavům molekul. Další kategorií jsou metody nukleární magnetické rezonance, které využívají přímo vlastností jader atomů. Obecně platí, že použít mohu pouze takové záření, které s analyzovanou hmotou dostatečně interaguje, nebo které v ní dokáže vznikat. S ohledem na vlastnosti hmoty jsou nejdůležitější viditelná, infračervená a mikrovlnná oblast.
4. Emisní atomová spektrometrie
Jsou to metody založené na měření emisních spekter, což je závislost intenzity záření na vlnové délce u atomů uvedených do tzv. excitovaného (nabuzeného) stavu. Tato metoda nám pomáhá zjistit kolik vzorku je i jaké vzorky tam jsou. Používá se v metalurgii a potravinářství.
Tyto systémy mají tři části:
1. Systém na excitaci analyzovaného vzorku. Mohou to být např. dvě grafitové elektrody, na jedné z nich je důlek na vzorek a mezi nimi se pustí elektrický výboj. Další možností je např. laserový výboj. Je potřeba vzorek rozžhavit na plasmu.
2. Získané záření je potřeba rozložit na jednotlivé vlnové délky pomocí hranolu nebo mřížky.
3. Zachycení záření. Emisní spektrum se v minulosti získávalo pomocí fotografických desek. V současnosti se používají, elektronické snímače podobné těm v digitálních fotoaparátech. Z přítomnosti nebo nepřítomnosti záření, konkrétních vlnových délek, lze zjistit přítomnost respektive nepřítomnost jednotlivých prvků. Ke změření koncentrace jednotlivých prvků, se využívá měření intenzity záření konkrétní vlnové délky. Ke kalibraci (vzor k porovnávání) přístroje se použije několik měření se vzorky se známou koncentrací.
5. Rentgenová fluorescenční spektrometrie
Základem je rtuťová rentgenka složená z katody a anody. Katoda vysílá elektrony, které jsou mezi katodou a anodou urychlovány.
Na anodě se prudce zabrzdí, ztratí energii, což je vzniklé rentgenové záření. Rentgenové záření vyráží elektrony z atomů. Musíme dodat energii, která se alespoň vyrovná vazebné energii elektron-jádro.
Vzniká díra po vyraženém elektronu, díra se okamžitě zaplní elektrony z vyšších vrstev. Dochází k emisi záření. S rostoucím protonovým číslem, roste energie potřebná k vyražení elektronu.
Stejně jako u předchozí metody se dá dobře zjistit typ a koncentrace nějakých atomů. Hlavní výhodou je, že ji lze použít a přitom téměř nepoškodit vzorek.
6. Absorpční infračervená spektrometrie
Infračervené záření souvisí s různými pohybovými, rotačními a vibračními stavy molekul a jejich částí. Analýzou infračervených spekter, lze proto získat informace o chemických vazbách, o různých charakteristických skupinách a podobných vlastnostech molekul. Principem je absorpce, tedy měří se energie, kterou jsou schopné části molekul absorbovat. Vzhledem ke složitosti získaných spekter se analýza provádí s pomocí počítačů, spektra jsou na rozdíl od minulých metod spojitá, na některých frekvencí se v nich vyskytují tzv. „peaky“, které odpovídají charakteristickým skupinám.
Poznámka:
Stejně jako u emisních, musím rozdělit záření na různé frekvence a to buď do vzorku pouštět v danou chvíli jenom jednu, nebo za vzorkem záření rozdělit pomocí hranolu apod. Kromě těchto ukázkových metod existuje obrovská spousta dalších, využívají různé části elektromagnetického spektra a měří různé veličiny. Nejčastěji je to měření emise nebo absorpce záření, ale lze měřit i rozptyl, index lomu a další veličiny.
7. Chromatografické metody
Jsou to metody, které využívají, transportu látek, adsorpce, absorpce a difuze. U všech metod je základem postupu to, že zařízením protéká nějaké nosné medium, kapalina nebo plyn (tedy tekutina), a to s sebou unáší částice vzorku. Různé částice putují zařízením různou rychlostí, z jejich rychlosti lze určit jejich typ.
a) Vzestupná papírová chromatografie
Spíše než analytická metoda, je to ukázka těchto metod (demonstrace). Proužek papíru se jedním koncem ponoří do rozpouštědla, těsně nad hladinu se nanese kapka vzorku. Jak se rozpouštědlo nacucává do papíru a teče skrz něj. Jeho proud s sebou unáší různé části vzorku různou rychlostí. Z rychlosti jejich proudění v porovnání se známými látkami lze odhadnout, co ve vzorku je nebo není.
b) Plynová chromatografie
Typické zařízení lze rozdělit na tři části:
1. část: Systém pro změnu vzorku na plyn a jeho dávkování do zařízení.
Zařízením nejprve protéká čistý nosný plyn např. dusík nebo helium. V systému nastaveném na nějakou teplotu se vzorek vypaří, určité množství se nadávkuje do zařízení a za ním dál nepřetržitě proudí nosné plyny. Obecně se volí takový hnací plyn, který chemicky nereaguje se vzorkem.
2. část: Kolona.
Typicky se jedná o několik metrů dlouhou trubičku s nějakou porézní výplní (např. granula). Porézní výplň slouží ke zpomalení unášení vzroků.Uvnitř kolony dochází k absorpci a opětovnému uvolňování částic vzorku, u různých složek vzorků to probíhá různě, putují proto kolonou různou rychlostí. Na výstupu z kolony sice neprochází daná látka najednou všechna, ale projde například v rozmezí dvou nebo tří sekund. Při celkové délce měření třeba 3 min, tak lze rozlišit několik desítek různých složek.
3. část: Detekce.
Většinou se používají poměrně jednoduché detektory, které nedokážou rozpoznat povahu nějaké látky, měří pouze změnu ve vlastnostech okolo proudící směsi. Používá se například měření tepelné kapacity plynu pomocí nějakého rozžhaveného senzoru, měření elektrické vodivosti ionizovaného plynu, měření absorpce vhodné vlnové délky apod. Z doby, kdy se nějaký vzorek objeví lze usuzovat na jeho typ, z intenzity odezvy ze senzoru lze určovat jeho množství. Intenzitu signálu ovlivňuje velká řada faktorů, pro každou měřenou látku se proto zařízení musí kalibrovat.
8. Hmotnostní spektrometrie
Základem těchto metod je převedení vzorku na ionty. Většinou se zároveň rozpadá vzorek na menší části a analýzou pohybu těchto částic v elektromagnetickém poli se určuje jejich hmotnost a následně složení a struktura celé molekuly. Postup se běžně zařazuje za nějakou chromatografickou metodu, takže z celého vzorku vždy měříme jen jednu část.
Technická provedení těchto zařízeních jsou různá. Základem je tvorba elektricky nabitých částic ze vzorku a jejich urychlení v elektrostatickém poli. Čím větší je potenciální rozdíl, tím větší je rychlost částic. Poté se měří změna dráhy těchto částic v elektromagnetickém poli. Prakticky v celém zařízení je nutné udržovat vakuum, aby se letící kousky vzorku nebrzdili s molekulami vzduchu.
Shrnutí:
1. Klasické metody: gravimetrie a titrace
Využívají chemických reakcí. Gravimetrie je vážková analýza, využívá vzniku sraženin. Titrace je odměrná analýza, měří objem titračního činidla. Jsou to kvantitativní metody (kolik?).
2. Instrumentální metody: optické: spektrální a nespektrální
Využívají fyzikálních vlastností. Spektrální měří výměnu energie. Nespektrální rozptyl, odraz, absorpci. Spektrum je závislost intenzity na vlnové délce. Intenzita je množství emitovaného záření.
3. Bohrův model atomu
Pro přesun elektronu se energie musí rovnat energetickému rozdílu drah.
4. Emisní atomová spektrometrie
Měří emisní spektra, tedy závislost na vlnové délce excitovaných atomů. Má tři části. První je systém na excitaci vzorku. Skládá se ze dvou elektrod nebo laserového výboje. Druhá část je rozložení na vlnové délky hranolem nebo mřížkou. Třetí část je zachycení záření podobným principem jako v digitálních fotoaparátech.
5. Rentgenová fluorescenční spektrometrie
Základem je rtuťová rentgenka složená z katody a anody. Katoda vysílá elektrony, mezi katodou a anodou se urychlují, na anodě ztratí energii a vznikne rentgenové záření. To vyráží elektrony z atomů a vznikne díra. Tu zaplní elektrony z vyšších vrstev a dojde k emisi záření. Výhodu je nepoškození vzorku.
6. Absorpční infračervená spektrometrie
Souvisí s pohybovými stavy molekul. Vyhodnocují počítače. Měří se emise, absorpce, rozptyl, index lomu.
7. Chromatografické metody: vzestupná papírová chromatografie a plynová chromatografie
Využívá transport, adsorpci, absorpci, difuzi. Princip spočívá v tom, že zařízením protéká nosné médium (tekutina) a to ss sebou unáší částice vzorků. Princip papírové vzestupné metody spočívá v rychlosti proudění částic. Plynová chromatografie má tři části. Za prvé odpaření vzorku, který je potom unášen nosnými plyny. Za druhé kolonu, což je dlouhá trubička s porézní výplní. Dochází zde k absorpci a látky putují různou rychlostí. Třetí je detekce, tedy detektory měřící pouze vlastnosti okolo proudící směsi.
8. Hmotnostní spektrometrie
Základem je převedení vzorku na ionty. Vzorek se rozpadá na menší části a analýzou pohybu těchto částic v elektromagnetickém poli se určuje jejich hmotnost a následně složení a struktura celé molekuly. Probíhá po chromatografické metodě, takže měříme jen jednu část.
Základem je tvorba elektricky nabitých částic ze vzorku a jejich urychlení v elektrostatickém poli. Poté se měří změna dráhy těchto částic v elektromagnetickém poli. Je nutné vakuum.
Příklady:
Příklad: Při titraci H2SO4 byla spotřeba odměrného roztoku hydroxidu sodného 24,22 cm3 (ml). Koncentrace hydroxidu sodného byla 0,1022 molů za litr. Vypočítejte hmotnost H2SO4.
2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O
n (NaOH) = 2 n (H2SO4) … dva ku jedné
c = n/V
V (NaOH) krát c (NaOH) = 2n (H2SO4)
n (NaOH) = 0,0025 mol
n (H2SO4) = 0,00125 mol … z n získat m pomocí M
M (H2SO4) = 98 g/mol
m (H2SO4) = n krát M = 0,1225 mol … výsledek
Příklad: Z navážky zinečnaté soli byl vysrážen fosforečnan zinečnatoamonný ZnNH4PO4, který byl žíháním převeden na difosforečnan zinečnatý Zn2P2O7 o hmotnosti 256 miligramů.
H6P2O8 – H2O → H4P2O7 … kyselina difosforečná
Vypočítejte hmotnost zinku v původním vzorku:
Zn2+ → ZnNH4PO4 … z jednoho kationtu vznikne jeden mol
2ZnNH4PO4 (zahříváme) → Zn2P2O7 + 2NH3 + H2O
n (Zn2+) = n (ZnNH4PO4) … 1 ku 1
n (ZnNH4PO4) = 2n (Zn2P2O7)
M (ZnP2O7) = 304,7 g/mol
M (Zn) = 65,4 g/mol
n = m/M
převod jednotek z 256 miligramů na 0,256 gramů
n (Zn2P2O7) = 0,256/304,7 = 8,4 krát 10 na -4 mol
n (Zn2+) = 16,8 krát 10 na -4 mol
m (Zn2+) = 16,8 krát 10 na -4 krát 65,4 = 0,11 g … výsledek
Tento příklad je založen na principu gravimetrie.
Příklad: Pro stanovení iontů síranových, bylo odváženo 0,4 g vzorku, po rozpuštění ve vodě, byly síranové ionty vysráženy jako síran barnatý. BaSO4 váží 0,576 g po filtraci a vysušení. Jaké je hmotnostní procento síranových iontů ve vzorku?
SO4 → BaSO4
n (SO4) = n (BaSO4)
M (BaSO4) = 233,33 g/mol
n = m / M
n = 0,576/233,33=2,468 krát10 na mínus třetí
M (SO4)=96 g/mol
m (SO4)=2,468 . 10 na mínus třetí . 96 = 0,237 g
Hmotností procento je 59,25%
