Podstawowe zagadnienia i definicje w analizie instrumentalnej. Plan wykładu i laboratorium analizy instrumentalnej (forma zaliczenia przedmiotu).

Transkrypt

1

2 Zagadnienia organizacyjne. Podstawowe zagadnienia i definicje w analizie instrumentalnej. Plan wykładu i laboratorium analizy instrumentalnej (forma zaliczenia przedmiotu). Zasady BHP.

3 dr inż. Beata Brożek-Płuska LABORATORIUM LASEROWEJ SPEKTROSKOPII MOLEKULARNEJ Politechnika Łódzka Międzyresortowy Instytut Techniki Radiacyjnej Łódź Wróblewskiego 15 tel:(48-42) , fax:(48-42)

4 Analiza chemiczna zajmuje się wykrywaniem i oznaczaniem składników w próbce. Analiza jakościowa ujawnia jakie składniki zawiera próbka, a analiza ilościowa określa ich zawartość. Oznaczany składnik nazywa się analitem. Chemia analityczna opracowuje metody rozdzielania, wykrywania i oznaczania składników z myślą o ich zastosowaniu w analizie konkretnych materiałów. Wynika z tego przynależność chemii analitycznej do chemii stosowanej.

5 Chemiczna analiza instrumentalna, dział analizy chemicznej obejmujący metody pomiaru własności fizycznych lub fizykochemicznych badanej próbki, określające np.: własności elektryczne i elektrochemiczne (polarografia, chronoamperometria, konduktometria), własności optyczne (absorpcyjna spektrometria atomowa, refraktometria, polarymetria), własności rozdzielania międzyfazowego (chromatografia), promieniotwórczość (neutronowa analiza aktywacyjna, spektrometria Mössbauera) i inne (jądrowy rezonans magnetyczny, elektronowy rezonans paramagnetyczny, spektrometria masowa). Analiza instrumentalna, stanowiąca niezwykle obszerny zbiór metod i technik badawczych, zyskuje coraz większe znaczenie we współczesnym świecie. Prostota stosowanych procedur, związana z rosnącą automatyzacją w tej dziedzinie, powoduje znaczną dostępność szybkich oznaczeń z wykorzystaniem minimalnych ilości próbek. Pozwala również na wykonywanie oznaczeń seryjnych z dużą powtarzalnością wyników. Komputeryzacja stosowanego sprzętu ułatwia zaś pozyskiwanie dużej ilości interesujących danych, wyświetlanych automatycznie bez konieczności dodatkowych przeliczeń, również przetwarzanych i archiwizowanych.

6 Zalety analizy instrumentalnej Metody instrumentalne pozwalają na oznaczane badanych składników w bardzo małych ilościach, rzędu 10-5 %. Oznacza to dużą czułość tych metod. Wykonanie analizy zajmuje zwykle około kilku minut (nie licząc czasu potrzebnego do przygotowania próbki). Obiektywny pomiar. Automatyzacja i komputeryzacja oznaczeń instrumentalnych zmniejsza koszt analiz seryjnych. Wyniki otrzymywane są w postaci gotowych wydruków danych. Wady analizy instrumentalnej Metody te wymagają zwykle kalibracji i przygotowania wzorców ze względu na porównawczy charakter oznaczenia. Znaczną wadą jest konieczność stosowania kosztownej aparatury. Można jednak stwierdzić, że ze względu na liczne wady i zalety obu grup metod klasycznych i instrumentalnych będą się one uzupełniały na równych prawach jeszcze przez długi czas. Sztuką jest jednak dokonanie prawidłowego wyboru najlepszej dla potrzeb oznaczenia metody.

7 Podział metod analitycznych w zakresie analizy instrumentalnej nie jest jednolity i zależy od przyjmowanych w tym celu kryteriów. Najczęściej stosowanym kryterium podziału jest rodzaj obserwowanych zjawisk fizycznych lub fizykochemicznych i sposób ich wywołania. Od tych czynników zależy też rodzaj uzyskiwanej informacji pośredniej, która posłuży do określenia ilościowego lub jakościowego badanych indywiduów chemicznych. Metody optyczne Metody te oparte są na sprężystych oddziaływaniach promieniowania elektromagnetycznego z próbką badaną. Należą do nich: rozproszenie, załamanie i skręcanie płaszczyzny polaryzacji światła. Oddziaływania te nie powodują zmiany ilości energii promieniowania. W metodzie tej stosowane są różne techniki pomiaru.

8 1. Technika pomiaru intensywności zmętnienia Umożliwiają oznaczanie związków chemicznych i pierwiastków nie tworzących połączeń barwnych, lecz tworzących pochodne nierozpuszczalne. Powstające w przebiegu reakcji chemicznych analitu związki nierozpuszczalne w odpowiednio małych stężeniach są subtelną zawiesiną lub roztworem koloidalnym. W pewnych granicach stężeń intensywność powstającego zmętnienia jest wprost proporcjonalna do stężenia badanej substancji. Nefelometria Obserwowane zjawisko rozproszenie promieniowania. Pomiar natężenie wiązki światła rozproszonego wychodzącego z kuwety pomiarowej (pod pewnym kątem w stosunku do światła wchodzącego. Zastosowanie analiza chemiczna i analiza namnożenia komórek w hodowli. Turbidymetria Obserwowane zjawisko rozproszenie promieniowania. Pomiar zmniejszenie natężenia wiązki światła po przejściu przez kuwetę z zawiesiną. Zastosowanie analiza chemiczna i analiza namnożenia komórek w hodowli.

9 2. Technika pomiaru współczynnika załamania światła. Ta sama substancja w różnych stężeniach oraz różne substancje w tym samym stężeniu wykazują różny współczynnik załamania światła (refrakcji n). Refraktometria Obserwowane zjawisko załamanie światła. Pomiar współczynnik załamania światła padającego na powierzchnię próbki Zastosowanie oznaczanie stężenia substancji znanych, określenie składu mieszanin substancji o różnych n, określanie cech budowy cząsteczek związku chemicznego (refrakcja molowa RM).

10 3. Technika pomiaru polaryzacji światła i skręcenia płaszczyzny polaryzacji W wiązce światła spolaryzowanego drgania fali świetlnej są uporządkowane w jednej płaszczyźnie. Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji jest proporcjonalny do stężenia substancji wywołującej skręcenie. Polarymetria Obserwowane zjawisko - zdolność substancji optycznie czynnej (nie posiadającej elementów symetrii) do skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Pomiar kąt skręcenia polaryzacji światła (a) Aparatura polarymetr. Zastosowanie identyfikacja i oznaczanie środków leczniczych, badanie równowagi i mechanizmów reakcji, ustalanie budowy przestrzennej związków złożonych (dyspersja skręcalności).

11 Metody spektroskopowe Dotyczą one pomiaru zjawisk związanych z niesprężystym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z badaną próbką. Oparte są one na technikach: absorpcyjnej i emisyjnej. W wyniku pomiarów powstają widma absorpcyjne lub widma emisyjne. 1. Techniki absorpcyjne. Wykorzystują fakt zdolności niektórych substancji do pochłaniania światła. Substancje takie pochłaniają zwykle fale świetlne o określonych długościach w sposób charakterystyczny, zależny od budowy. Jeśli nawet pochłanianie zachodzi w tym samym zakresie długości fal, charakterystyczna pozostaje zwykle intensywność pochłaniania. W technikach tych stosuje się pomiar absorbancji (A), natężenia światła (I) oraz transmitancji (T).

12 1.1. Techniki absorpcyjne cząsteczek. W wyniku stosowania aparatów zwanych spektrofotometrami uzyskuje się widma absorpcyjne, charakterystyczne dla badanej substancji. Przez badaną próbkę przechodzą kolejno wiązki światła monochromatycznego. Podział metod spektrofotometrycznych związany jest z określonym przedziałem długości fal świetlnych stosowanych oraz z różnorodnością ich oddziaływań niesprężystych z substancją badaną. Różne są również źródła promieniowania elektromagnetycznego. Spektrofotometria UV-VIS Obserwowane zjawisko absorpcja promieniowania ultrafioletowego i widzialnego w zakresach nm i nm związana ze zmianą stanów elektronowych oraz energii oscylacyjnej i rotacyjnej badanej cząsteczki. Efekt widmo elektronowe (elektronowo oscylacyjno rotacyjne) z charakterystycznymi pasmami absorpcji. Źródło promieniowania lampy żarowe, deuterowe, rtęciowe. Aparat spektrofotometr UV VIS Zastosowanie analiza ilościowa, badanie mechanizmu i kinetyki reakcji chemicznych, identyfikacja związków bezbarwnych (aromatycznych, ketonów, estrów) w zakresie UV oraz barwnych w zakresie VIS.

13 Spektroskopia w podczerwieni IR Obserwowane zjawisko absorpcja promieniowania podczerwonego przez oscylujące cząsteczki w zakresie długości fal 0,2 30 mm. Grupy funkcyjne i charakterystyczne ugrupowania atomów absorbują specyficznie promieniowanie w wąskich przedziałach długości fal IR. Efekt widmo absorpcyjne. Grupy funkcyjne obecne w strukturze analitu absorbują promieniowanie podczerwone w charakterystycznych zakresach liczb falowych absorpcji. Aparat spektrofotometr Fouriera (IR). Źródło promieniowania włókno Nernsta (z tlenku cyrkonu) lub globar (z węglika krzemu) rozgrzane do temperatury o C. Zastosowanie jedna z najlepszych metod identyfikacji struktur. Widmo w zakresie fal długich stanowi tzw. obszar daktyloskopowy (niepowtarzalny dla różnych związków).

14 Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego NMR Obserwowane zjawisko absorpcja promieniowania w zakresie fal radiowych m przez jądra atomów cząsteczki w polu magnetycznym o dużym natężeniu. Efekt widmo sygnałów rezonansowych próbki na skali przesunięć chemicznych. Aparat spektrometr NMR. Źródło promieniowania obwody elektroniczne, kryształy. Zastosowanie badanie struktur cząsteczek. Spektroskopia paramagnetycznego rezonansu elektronowego EPR Obserwowane zjawisko absorpcja promieniowania mikrofalowego przez rotujące cząsteczki. Długość fali promieniowania mm. Efekt widmo rezonansowe. Aparat spektrometr EPR. Źródło promieniowania klistron, magnetron. Zastosowanie identyfikacja struktur.

15 1.2. Techniki absorpcyjne atomów. Atomowa spektrometria absorpcyjna ASA Obserwowane zjawisko absorpcja promieniowania elektromagnetycznego przez atomy cząsteczek substancji poddanych uprzednio atomizacji i przeprowadzone w stan pary wolnych atomów. Absorbujące atomy znajdują się w stanie podstawowym. Absorpcja odbywa się tylko w zakresie długości fal charakterystycznych dla pierwiastków. Pomiar absorpcji wprost proporcjonalna do liczby atomów w środowisku obserwowanym. Zakres promieniowania absorbowanego określa rodzaj pierwiastka. Źródło promieniowania lampy z katodą wnękową, lampy bezelektrodowe. Zastosowanie selektywna i dokładna identyfikacja atomów 70 różnych pierwiastków. Absorpcja rentgenowska Obserwowane zjawisko absorpcja promieniowania w zakresie rentgenowskim. Długość fali 0,03 30 nm, przez atomy cząsteczki charakterystycznie dla ich rodzaju i niezależnie od budowy cząsteczki, w której się znajdują. Zjawisko związane jest z wybijaniem elektronu z powłoki wewnętrznej atomu, który ulega jonizacji. Pomiar absorpcji Źródło promieniowania lampa rentgenowska. Aparat fotometr absorpcji rentgenowskiej. Zastosowanie oznaczanie atomów pierwiastków ciężkich w próbce.

16 2. Techniki emisyjne. Pojedyncze atomy, cząsteczki pierwiastków oraz związków chemicznych obdarzone są pewnym zasobem energii wewnętrznej, której ilość ulega zmianie. Stany podwyższonej energii są nietrwałe. Atom emituje nadmiar energii aż do stanu minimalnej dla danych warunków wartości. Atomy emitują promieniowanie tylko w stanie wzbudzonym. Atomy poddane wzbudzeniu emitują widmo liniowe (wybrane długości fal promieniowania). Emisja promieniowania następuje przy przejściu ze stanu wzbudzonego na niższy poziom energii. Techniki emisyjne dzieli się w zależności od rodzaju wzbudzenia, od którego zależy ilość pochłoniętej energii i stopień wzbudzenia. Inny podział dotyczy rodzaju źródła emisji. Fotometria płomieniowa (najprostsza metoda oparta na emisji atomowej) Obserwowane zjawisko emisja promieniowania przez atomy próbki po atomizacji i wzbudzeniu w strumieniu energii. Źródło energii płomień palnika (spalający się gaz w obecności powietrza) temperatura do K. Aparat fotometr płomieniowy Zastosowanie badanie zawartości pierwiastków łatwo wzbudzanych (sód, potas), płynów ustrojowych i ekstraktów roślinnych.

17 2.2.Techniki emisyjne cząsteczkowe Substancje chemiczne podlegające napromieniowaniu ulegają wzbudzeniu, a następnie emitują pochłoniętą energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego lub w postaci ciepła. Substancje te często powodują emisje światła w zakresie widzialnym. Mechanizm przejść elektronowych decyduje o tym, czy jest to fluorescencja czy fosforescencja. Oba zjawiska nazywane są ogólnie fotoluminescencją. Rodzaje luminescencji fotoluminescencja cząsteczki wzbudzone promieniowaniem elektromagnetycznym chemiluminescencja cząsteczki wzbudzone w czasie reakcji chemicznej bioluminescencja wzbudzenie cząsteczek w przebiegu procesów biologicznych elektroluminescencja wzbudzenie strumieniem elektronów. Fluorymetria Obserwowane zjawisko emisja promieniowania UV i VIS cząsteczek wzbudzonych związana z przejściem elektronów na poziom podstawowy. Pomiar natężenie (I) promieniowania proporcjonalne do stężenia badanej substancji. Aparat fluorymetr Zastosowanie związki biologicznie czynne, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, jony metali.

18 Metody elektroanalityczne Wykorzystują one zjawiska związane z przepływem prądu elektrycznego przez roztwory elektrolitów i reakcje zachodzące na elektrodach zanurzonych w roztworach elektrolitów. 1. Metody potencjometryczne Oparte na pomiarze różnicy potencjałów elektrochemicznych między elektrodami zanurzonymi w analizowanych roztworach (elektroda wskaźnikowa i elektroda odniesienia). Potencjał elektrody wskaźnikowej zależy od stężenia badanej substancji. Potencjometria bezpośrednia Różnica potencjałów między elektrodami zależy wprost od stężenia substancji badanej. Pehametria Pomiar ph środowiska próbki Aparat pehametr Pehametria bezpośrednia bezpośredni pomiar ph bez wzorcowych roztworów buforowych. Elektrody wodorowa, chinhydronowa, antymonowa, bizmutowa Pehametria pośrednia do pomiaru ph stosuje się roztwory buforów wzorcowych. Metoda jest częściej stosowana, ma największą dokładność. Elektroda szklana

19 Miareczkowanie potencjometryczne Pomiar zmiana potencjału w zależności od objętości zużytego odczynnika miareczkującego, określenie punktu końcowego miareczkowania. Miareczkowanie pehametryczne Elektrody szklana, chinhydronowa, wodorowa Miareczkowanie redoksymetryczne Elektrody - wskaźnikowa platynowa; odniesienia NEK (nasycona elektroda kalomelowa) 2. Metody elektrolityczne Polegają na pomiarze (ważeniu) wydzielonego, oznaczanego składnika roztworu, na elektrodzie podczas przepływu prądu elektrycznego pomiędzy elektrodami w nim zanurzonymi. Obserwowane zjawisko elektroliza w całej masie Pomiar masa substancji wydzielonej na elektrodzie. Elektrograwimetria (elektroliza) Elektroda katoda platynowa Zastosowanie do oznaczania ilościowego pojedynczych substancji (metali)

20 3. Metody kulometryczne W przebiegu oznaczenia zachodzi zjawisko elektrolizy w całej masie badanej próbki Pomiar ładunku elektrycznego (C) przepływającego przez badany roztwór elektrolitu, niezbędnego do reakcji elektroutlenienia i elektroredukcji oznaczanej substancji. Wartość ładunku zmierzonego jest proporcjonalna do zawartości. Analiza kulometryczna bezpośrednia Substancja badana podlega reakcji bezpośredniej na elektrodzie. Analiza kulometryczna pośrednia Substancja reaguje z inną, wytwarzaną na elektrodzie. Aparatura kulometryczna: Kulometry wagowe, Kulometr miareczkowy, Kulometry gazowe, Kulometry kolorymetryczne.

21 Metody woltoamperometryczne Oparte są na pomiarze natężenia prądu elektrycznego przepływającego w układzie elektrod w roztworze badanym pod wpływem przyłożonego napięcia. Pomiar dokonywany jest z użyciem rtęciowej elektrody kroplowej. Polarografia Rodzaje stałoprądowa; zmiennoprądowa; pulsowa; oscylopolarografia. Obserwowane zjawisko elektroliza warstwy dyfuzyjnej. Pomiar natężenie prądu, jako funkcja przyłożonego napięcia, proporcjonalnego do stężenia Aparatura - polarograf. Woltoamperometria Pomiar zależność natężenia prądu od napięcia przyłożonego do elektrod. Rodzaje woltoamperometria z liniowo zmieniającym się potencjałem; cykliczna; inwersyjna Zastosowanie analiza śladowa, materiałów roślinnych, preparatów farmaceutycznych

22 Metody rozdzielcze Służące wyizolowaniu substancji, jej identyfikacji i oznaczaniu, dzięki zróżnicowanej odpowiedzi specyficznych substancji na warunki rozdziału. Chromatografia Obserwowane zjawisko podział składników mieszaniny pomiędzy fazę stacjonarną i ruchomą układu Parametry podziału współczynnik retencji (k); ułamek czasu migracji substancji (Rf) czynnik zatrzymania lub ułamek prędkości; R M log k Rodzaje chromatografia gazowa; cieczowa, kolumnowa; cienkowarstwowa.

23 Procent objętościowy wyraża liczbę części objętościowych substancji zawartą w 100 częściach objętościowych roztworu, odnosi się zatem tylko do roztworów substancji ciekłych. Na przykład określenie 20 %-owy (obj.) wodny roztwór etanolu oznacza, że 20 ml etanolu rozcieńczono wodą do objętości 100 ml. Procent objętościowy bywa często oznaczany % (v/v). Procent wagowy wyraża liczbę części wagowych substancji zawartą w 100 częściach wagowych roztworu. Na przykład określenie 20 %-owy (wag.) wodny roztwór chlorku sodowego oznacza, że w 100 g roztworu zawarte jest 20 g NaCl. Procent wagowy oznaczany jest czasem % (m/m). W przypadkach, kiedy % nie jest oznaczony specjalnie, rozumie się go jako wagowy. Procent wagowo-objętościowy wyraża liczbę części wagowych substancji zawartą w 100 częściach objętościowych roztworu. Jest to najczęstszy sposób wyrażania stężenia procentowego substancji stałych. W tym przypadku określenie 20 %-owy (wag.-obj.) roztwór wodny chlorku sodowego oznacza, że 20 g NaCl znajduje się sv 100 ml roztworu. Normalność roztworu, oznaczana symbolem n, jest to stężenie określone liczbą gramorównoważników substancji zawartych w 1 litrze roztworu. Normalność roztworu zależy od rodzaju reakcji, w której substancja bierze udział.

24 Molowość roztworu, oznaczana symbolem m, jest to stężenie określone liczbą moli substancji zawartych w 1 litrze roztworu. Na przykład roztwór 1 m (jednomolowy) kwasu azotowego zawiera 63 g HN03 w 1 litrze roztworu, a roztwór 1 m kwasu siarkowego zawiera 98 g H2S04 w 1 litrze roztworu. Jeżeli trzeba przygotować bardziej rozcieńczone roztwory normalne lub molowe z bardziej stężonych, konieczne rozcieńczenie obliczamy ze stosunku odpowiednich normalności lub molowości roztworu, który chcemy otrzymać i roztworu wyjściowego. Na przykład aby otrzymać roztwór 0,2 n z roztworu 1 n trzeba ten ostatni rozcieńczyć 1/0,2=5-krotnie (np. 100 ml roztworu 1 n do 500 ml). W analizie śladowej przyjęte jest określanie stężenia w częściach na milion, w skrócie ppm {parts per millioń), odpowiadające 1 ng/ml, a także niekiedy w częściach na miliard, w skrócie ppb (parts per billioń).

25 Analizowana próbka musi być reprezentatywna dla badanego obiektu. Próbka reprezentatywna: porcja materiału pobranego z danego obiektu i wyselekcjonowana w taki sposób, że wykazuje istotne właściwości charakterystyczne dla całego układu (łatwo taką próbkę wyselekcjonować jedynie dla układów homogenicznych.) Aby pobrana próbka była reprezentatywna należy zapobiec: zanieczyszczaniu próbki, utracie lotnych składników, reakcjom ze składnikami powietrza, rozkładowi próbki pod wpływem promieniowania UV, degradacji próbki pod wpływem temperatury, zmianom wywołanym efektem katalitycznym. Próbka pierwotna próbka laboratoryjna próbka analityczna

26 Błędy w analizie chemicznej: Przypadkowe Systematyczne Grube Błędy przypadkowe są niewielkie a ich dokładna przyczyna nie jest znana. Błędy systematyczne mają charakter stały, powodują zmianę sygnału zawsze w tym samym kierunku i mają ściśle określoną przyczynę często błędy te można usunąć przez korektę postępowania w trakcie wykonywania analizy. Błędy grube powstają na skutek niedopatrzenia lub winy wykonawcy, mogą być powodowane złym pobraniem próbki, błędami obliczeń, nieodpowiednim doborem procedury.

27 Błąd względny w metrologii i statystyce to iloraz błędu bezwzględnego i wartości dokładnej x 0 gdzie x wartość mierzona, Δx błąd bezwzględny. przy czym zazwyczaj, gdy błąd jest błędem losowym, określa się moduł błędu względnego

28 KARTA PRZEDMIOTU