PPRZYGOTOWANIE PRÓBKI Homogenizacja doprowadzenie próbki do jednorodności składu.

Transkrypt

1 ANALITYKA I METROLOGIA CHEMICZNA WYKŁAD 6 OBIEKT POMIARU SYGNAŁ PRÓBKA WYNIK POMIARU WYNIK ANALIZY PRZYGOTOWANIE PRÓBKI POMIAR REJESTRACJA/OCENA KALIBRACJA PROCES ANALITYCZNY SYSTEM POMIAROWY ZMIENNE UKRYTE POBIERANIE PRÓBKI METODY CHEMO- METRYCZNE BADANY OBIEKT STRATEGIA POBIERANIA PRÓBKI PROBLEM INERPRETACJA INFORMACJA PERCEPCJA ROZWIĄZANIE PROBLEMU Bruegel Tower of Babel PPRZYGOTOWANIE PRÓBKI Homogenizacja doprowadzenie próbki do jednorodności składu. Etap przygotowanie próbki polega na przekształceniu pobranej próbki poprzez operacje (takie jak: pomniejszanie, rozdrobnienie, homogenizacja, mineralizacja, roztwarzanie, rozpuszczanie, rozdzielanie, zatężanie, prasowanie) w obiekt pomiaru zgodnie z wymaganiami stosowanej metody pomiaru. Homogenizacja następuje poprzez rozdrobnienie i wymieszanie lub poprzez przeprowadzenie w postać płynną (roztwór rzeczywisty, gaz) i wymieszanie. RROZTWARZANIE I MINERALIZACJA PRÓBEK MMineralizacja sucha (spopielanie) W UKŁADZIE OTWARTYM - ogrzewanie próbki (w piecu muflowym lub płomieniem palnika) do temperatury C (czasem nawet do 1000 C) w tyglu (porcelanowym, kwarcowym, platynowym) do całkowitego rozkładu substancji organicznej (zwykle proces trwa ok. 3 godz.). 1

2 Zalety - prostota, niska ślepa próba, wielkość próbki dowolna. Wady - straty składników lotnych, możliwe straty mechaniczne, długi czas procesu, proces dwustopniowy (otrzymany popiół musi być rozpuszczony/roztworzony). W UKŁADZIE ZAMKNIĘTYM - bomba tlenowa Metoda polega na spaleniu małej ilości substancji organicznej (poniżej 20 mg) w zamkniętej kolbie zawierającej tlen. Produkty spalenia są gazowe i zostają ilościowo zaabsorbowane przez roztwór wody obecny w naczyniu. MMINARALIZACJA MOKRA W SYSTEMIE OTWARTYM Mineralizacja/roztwarzanie w kwasach - zwykle polega na ogrzewaniu w kwasach utleniających, które roztwarzają składniki nieorganiczne a organiczne utleniają do dwutlenku węgla, wody i innych lotnych produktów. Najczęściej stosowane kwasy i ich mieszaniny: + H 2 O 2 - próbki biologiczne + H 2 SO 4 - uniwersalna + HCl - woda królewska - uniwersalna + HClO 4 - próbki biologiczne, wybuchowa HF - próbki nieorganiczne + HF - uniwersalna HClO 4 - próbki biologiczne, wybuchowa Bomba tlenowa firmy Parr Mineralizacja UV - stosowana do próbek ciekłych zawierających substancje organiczne. Próbka naświetlana jest lampą kwarcową (λ = 250 nm, P = 150 W). Zwykle do próbki dodaje się substancję utleniającą (H 2 O 2, K 2 S 2 O 8, ). 2

3 Mineralizacja mikrofalowa - mikrofale są promieniowaniem niejonizującym, powodującym ruchy molekularne poprzez migrację jonów i rotację dipoli, nie powodując zmian struktury molekularnej. Zakres mikrofal obejmuje częstotliwości MHz. Do roztwarzania mikrofalowego stosuje się zwykle fale 2450 MHz i moc W. W trakcie penetracji próbki przez mikrofale adsorbuje ona energię w stopniu zależnym od współczynnika pochłaniania (dissipation factor) wynoszącego 0.6 dla kwarcu, 1.5 dla teflonu, 10.6 dla szkła borokrzemowego i 1570 dla wody. Mineralizacja mikrofalowa jest podobna do mineralizacji w kwasach, jednak energia jest dostarczana bezpośrednio do próbki (a nie przez ściany naczynia). Dzięki temu proces jest znacznie szybszy. Ze względu na niebezpieczeństwo wybuchy kwas ndchlorowy nie powinien być tu używany. Mineralizacja/roztwarzanie mikrofalowe jest stosowane do próbek biologicznych, geologicznych, środowiskowych i metalurgicznych. MINERALIZATOR MIKROFALOWY AUTOKLAW MINERALIZACJA W SYSTEMIE ZAMKNIĘTYM Mineralizacja/roztwarzanie w zamkniętych naczyniach ciśnieniowych (bombach) w wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu jest bardziej efektywna niż w systemie otwartym. Ogrzewanie może być konwencjonalne lub mikrofalowe. Stosowana jest temperatura ok. 180 C. Zaletą jest ograniczenie strat związków lotnych. STAPIANIE Trudne do roztworzenia materiały (takie jak skały i minerały krzemianowe i glinokrzemianowe, minerały tlenkowe i fosforanowe czy niektóre stopy żelaza) są zamieniane w łatwo rozpuszczalne związki na drodze stapiania z topnikami. Wadą procesu jest znaczna kontaminacja, wprowadzenie do próbki znacznej zawartości soli, straty składników lotnych i kontaminacja od naczynia. Najczęściej stosowane topniki i ich wykorzystanie zestawione jest w tabeli: Topnik tt C Tygiel Zastosowanie Na 2 CO 3 Na 2 CO 3 z KNO 3 KClO 3 Na 2 O 2 NaOH KOH Na 2 O 2 B 2 O Pt Pt (z wyj Na 2 O 2 ), Ni Au, Ag, Ni Fe, Ni Pt Próbki zawierające krzmiany, glin, fosforany i siarczany Próbki zawierające S, As, Sb, Cr itd. Krzemiany, węglik krzemu, różne minerały Siarczki, nierozpuszczalne w kwasach stopy Fe, Ni, Cr, Mo, W, stopy platyny, minerały Cr, Sn, Zr Krzemiany i tlenki jeżeli oznaczne mają być metale alkaliczne NIE UŻYWAĆ TYGLI PLATYNOWYCH BO KORODUJĄ!!! 3

4 METODY ROZDZIELANIA I ZATĘŻANIA Pt Fe Au Dwie całkowicie wymieszane substancja mogą zostać rozdzielone jeżeli różnią się co najmniej jedną właściwością fizykochemiczną. Podstawa rozdzielania Lotność Współczynnik podziału Metoda Destylacja Rafinacja Chromatografia gaz/ciecz Chromatografia podziałowa Ekstrakcja Równowaga wymiany Wymiana jonowa Ni Aktywność powierzchniowa Geometria cząsteczki Chromatogr. adsorpcyjna Chromatogr. gaz/ciało stałe Rafinacja piany Sita molekularne Filtracja/permacja żelowa Dyfuzja gazów Kompleksy inkluzyjne Ultrafiltracja Dializa, elektrodializa Migracja Rozpuszczalność Potencjał rozkładu Elektroforeza Strącanie Rafinacja strefowa Elektroliza CHRAKTERYSTYKA WYBRANYCH METOD ROZDZIELANIA Ekstrakcja - proces wymiany masy pomiędzy fazą z której następuje ekstrakcja (stałej lub ciekłej) a fazą ciekłą (ekstrahent - najczęściej rozpuszczalnik organiczny nie mieszający się z wodą np. alkohol amylowy, ditizon) w układzie wieloskładnikowym o ograniczonej rozpuszczalności. W wyniku ekstrakcji składnik (lub składniki) przechodzą do ekstrahenta w stopniu określonym przez współczynnik podziału Nernsta (K=c 1 /c 2 ). W celu zwiększenia stopnia ekstrakcji stosuje się reakcje kompleksowania. Wówczas współczynnik podziału definiuje się jako: Stopień ekstrakcji dany jest wzorem: Ekstrakcja prowadzona jest w układzie ciecz/ciecz lub ciało stałe/ciecz. Ostatnio, szczególnie przy przygotowaniu próbek do chromatografii stosuje się ekstrakcję do fazy stałej. 4

5 Wymiana jonowa - reakcja typu A 1 A 2 +B 1 B 2 =A 1 B 2 +B 1 A 2 zachodzi na substancjach zwanych wymieniaczami jonowymi (jonitami). Są to polielektrolity nierozpusz-czalne w wodzie. Kationit - wymienia kationy, grupy funkcyjna -SO 3 H; -COOH. Anionit - wymienia aniony, grupy funkcyjna aminowe o różnej rzędowości. Dobry jonit powinien mieć dużą pojemność, dużą szybkość reakcji wymiany oraz odporność chemiczną. Etapy procesu wymiany jonowej: -Wymiana jonów metali na jony H + - Wymiana anionów na jony OH - czysta woda - Elucja jonów metali poprzez płukanie kolumny kwasem - Elucja anionów poprzez płukanie kolumny zasadą Rozdzielanie Zatężanie Żywica jonowymienna Kolumna jonitowa Zdolność wymienna jonitu jest to główny parametr określający chemiczne własności jonitu oraz jego przydatność w procesach oczyszczania wody. Zdolnością wymienną jonitu określa się ilość miligramorównoważników (mgr, val lub mval) wymienianych jonów na jednostkę masy (g) lub objętości jonitu (dm3). Wartość zdolności wymiennej jonitu jest wprost proporcjonalna do liczby grup funkcyjnych jonitu oraz odwrotnie proporcjonalna do wzrostu stopnia usieciowania szkieletu jonitu. Robocza zdolność wymienna stanowi część całkowitej zdolności wymiennej, która może być wykorzystana w czasie eksploatacji jonitów. Wyraża liczbę miligramorównoważników jonów, które są wymieniane przez jednostkową ilość jonitu do chwili przebicia złoża. Zazwyczaj zawiera się w przedziale od 60 do 80 % całkowitej zdolności wymiennej. Wielkość roboczej zdolności wymiennej zależy od: warunków prowadzenia procesu, składu i stężenia roztworu, ilości, składu i stężenia czynników regenerujących, dokładności przepłukania złoża po przeprowadzeniu regeneracji. Punkt przebicia jonitu - jest to taki moment w procesie wymiany jonowej, kiedy zostanie osiągnięte założone stężenie wymienianego jonu w oczyszczonym roztworze. Po osiągnięciu punktu przebicia jonitu złoże jonitu poddaje się procesowi regeneracji (oczyszczenia mającego na celu przywrócenie początkowych własności jonowymiennych złoża jonitu). Przebicie kolumny Laboratoryjna i przemysłowa kolumna jonowymienna 5

6 PROCESY MEMBRANOWE Ultrafiltracja, nanofiltracja i odwrotna osmoza - procesy, w których roztwór pod wpływem wywieranego wysokiego ciśnienia przenika przez membranę półprzepuszczalną podczas gdy rozdzielane składniki pozostają. W zależności od wielkości porów membrany przez membranę przenika tylko rozpuszczalnik podczas gdy niepożądane rozpuszczone składniki i cząstki koloidalne pozostają na membranie. Stosowane do ultrafiltracji membrany mają średnice porów poniżej 0.45 µm a stosowane są ciśnienia MPa. Membrana półprzepuszczalna i zatrzymane na niej cząstki Dializa - polega na usuwaniu małych cząsteczek lub jonów z roztworów koloidalnych za pomocą membrany półprzepuszczalnej (która zatrzymuje cząstki koloidalne a pozwala przenikać małym jonom i cząsteczkom). Przyspieszenie rozdziału następuje gdy proces prowadzony w polu elektrycznym - elektrodializa. Elektroforeza - ruch naładowanych cząstek koloidalnych pod wpływem pola elektrycznego względem nieruchomego ośrodka rozpraszającego. Szybkość ruchu cząstek jest funkcją ich ładunku, wielkości i kształtu. Po pewnym czasie trwania procesu rozdzielane elektroforetycznie naładowane cząstki tworzą oddzielne strefy. Stosowana jest np. do rozdzielania białek. Elektroforeza prowadzona jest na specjalnych papierach elektroforetycznych, octanie celulozy, żelach (np. agaragar, żele poliakryloamidowe). Stosowana jest także w celach preparatywnych. Podobną metodą jest elektroosmoza polegająca na ruchu ośrodka dyspersyjnego przez membranę półprzepuszczalną pod wpływem pola elektrycznego (ruch ośrodka rozpraszającego względem substancji rozproszonej). Szybkość ruchu cząstek koloidalnych zależy od pola elektrycznego oraz ruchliwości v 0 cząstki koloidalnej: Gdzie: ε stała dielektryczna ζ potencjał zeta η lepkość ośrodka 6

7 Schemat zestawu do elektroforezy Zestaw do elektroforezy Elektroforetogramy białek z mięsa różnych zwierząt Nową odmianą elektroforezy jest elektroforeza kapilarna Przykładowy elektroforetogram kapilarny anionów nieorganicznych Zapamiętajmy: Etap przygotowanie próbki obejmuje operacje takie jak: - pomniejszanie, - rozdrobnienie, - homogenizacja, - mineralizacja, - roztwarzanie, - rozpuszczanie, - rozdzielanie, - zatężanie 7