METODY ANALITYCZNE

Analizy obejmują:

1. analiza wód ( woda deszczowa)

2. analiza powietrza (pyły, gazy)

3. analiza gleb (osady denne)

Analizy dzielimy na:

1.analiza klasyczna ( analiza objętościowa , wagowa)

2.analiza instrumentalna

1. metody spektralne (UV/VIS,AAS,ICP,XRF)

2. metody chromatograficzne (TLC, HPLC, GS)

3. metody woltamperometryczne (polarografia, woltamperometria inwersyjna, potencjometria)

W metodach spektralnych występuje oddziaływanie promieniowania elektro- magnetyczneg z materią.

10-200 nm UV (próżniowy)

200- 400 nm UV (bliski) spektofotometr

400-800 nm VIS (widzialny)

E= Eelektronów + Eoscylacji +Erotacyjna

Io = Iabsorpcji +I+przechodzi przez próbkę + Irozproszenia Io- światło

T= I+/To - transmitacja

A= log 1/T - absorpcja

PRAWO LAMBERTA - BEERA

A= a·c·l gdzie a- współczynnik absorpcji

c- stęzenie

l- droga , przez którą przechodzi światło ( grubość kuwety(

1cm, 0,5 cm, 2 cm, 5 cm,

A= E·c·l - molowy współczynnik absorpcji charakterystyczny dla danej substancji

UV/ VIS różni się od pozostałych metod , tym ,że jest to spektometria cząsteczkowa , pozostałe to spektometria atomowa.

Addytywność - dodawania absorbencji

A1 + A2 +A3+......

Chromofory elektrony II i elektrony n

Elektrony II to elektrony , które zawsze występują tam , gdzie występują wiązania podwójne .

Elektrony n to wolna para elektronów przy konkretnych parach atomów ( heteroatomach)

Grupy chromoforowe to:

• grupa azotowa -N=N-

• grupa nitrowa

• grupa nitrozowa -N= O

• grupa ketonowa >C=C<

• grupa tiokarbonylowa >C=S

• grupa chinowa

• grupa aromatyczna

Jeśli w badanym związku występuje któryś z wyżej wymienionych grup to związek absorbuje jeżeli jej nie ma to absorpcji nie ma.

Np. etylen absorbuje przy ok. 200 um , β- karoten absorbuje przy 480 um. Witamina B5 przy 320 um.

W spektofometrii występują także grupy auksochromowe:

-CH3, -OH , -OCH3, -NH2, -N(CH)3

Grupy te powodują przesunięcie widma absorpcji i zwiększenie intensywności , Warunkiem powstania widma jest obecność któregoś z tych grup.

Grupy chromoforowe dotyczą związków organicznych.

Absorpcja światła przez metale:

..

Po naświetleniu próbki promieniami elektromagnetycznymi mamy:

Przejście elektronów δ ze stanu podstawowego w stan wzbudzony wymaga bardzo dużej ilości energii

δ δ* < 200um

π π* UV/VIS

n π*

Spektofotometria UV/VIS , zastosowanie:

1. dobra czułość metody ( E >=10000 ( 1· 10⁴))

2. błąd oznaczenia nie przekracza ± 0,2 %

3. do oznaczenia kationów , anionów i związków organicznych

4. do badania reakcji chemicznych ( do badania stałych dysocjacji i zasad)

5. do badania stałej trwałości czy nietrwałości związków kompleksowych

6. do badania czystości związków ( badanie zanieczyszczeń rozpuszczalnika)

Oprócz klasycznej metody spektofometrii mamy:

METODY EMISJI.

SPEKTOFLUORYMETRIA (METODY LUMINESCENCYJNE

Luminescencja- to emisja światła przez ciała zimne w przciwieństwie do żarzenia , które jest emisją światła przez ciało gorące.

Rodzaje luminescencji:

1. fotoluminescencja - jest wzbudzone promieniowanie elektromagnetyczne ( UV/VIS) np. znaki

2. chemiluminescencja- czyli wzbudzenie cząsteczki jest wynikiem reakcji chemicznych ( z reguły są to reakcje utleniające)

3. bioluminescencja - wzbudzenie cząsteczki jest wynikiem procesu biochemicznego np. Swiecenie robaczków świętojańskich

4. elektroluminescencja - wzbudzenie cząsteczki w polu elektrycznym.

W chemii analitycznej najczęściej stosowane jest fotoluminescencja. Zjawisko absorbcji - wynik - widmo absorbcji

-przechodzenie elektronów ze stanu podstawowego w stan wzbudzony ( w zależności od rodzaju elektronów , różne elektrony przechodzą na różne stany wzbudzone)

Fluoryscencja występuje wtedy , gdy elektrony wracają z różnego poziomu wzbudzonego na stan podstawowy. To przechodzenie powoduje zjawisko fluorescencji , czyli świecenia substancji.

Batochromowe ( w kierunku fal dłużnych)

hiperchromowe hipochromowe-

hiperchrom. w ( w kierunku fal krótszych)

kier.fal krótszych

E= h · c/λ

E=h⋅c/λ

Ph

Ph

Ph- zjawisko fosforescencji

W absorbcji i fluorescencji światła elektrony znajdują się w singletach (↓↑) , a fosforescencji w tripletach (↑↑) .

Zastosowanie metod fluorescencyjnych:

a) są bardziej czułe niż metody spektofotometryczne

b) mają lepszą skuteczność

c) stosowane np. w analizie próbek środowiska w analizie związków biologicznie czynnych ( hormony , aminokwasy, witaminy) i w analizie.....

MIARECZKOWANIE SPEKTROFOTOMETRYCZNE

A

PK U (ml)

Np.Fe + KMNO4

Λ = 550 um

PK

Cu²⁺, EDTA, .Przy absorbuje Kompleks Cu²⁺,EDTA

PK

Przy nie absorbuje Fe³⁺, EDTA i kompleks Fe³⁺, EDTA ale jeśli do próbki wprowadzimy SCN^-

Fe³⁺, EDTA, SCN^-

PK- punkt końcowy miareczkowania

Miareczkowanie spektrofotometryczne polega na wyznaczeniu punktu końcowego miareczkowania przy określonej długości fali światła.

ABSORBCJA ATOMOWA (AAS, ASA)

Metoda ta oparta jest na absorbcji światła ( promieniowanie elektromagnetyczne jest absorbowane przez wolne atomy , a nie przez całe cząsteczki ( jak u spekrtofometrii)).

Metodę dysocjacji termicznej ( w wysokiej temp. ) możemy rozbić cząsteczkę na atomy jest to metoda destrukcyjna , nieodwracalna. Występuje w temp. 1500 °- 3000°C.

U podstaw AAS leży założenie , że atom może absorbować tylko taką długość fali światła jaką sam jest w stanie wyprodukować ( emitować).

Np. żeby oznaczyć Pb w próbce to robimy to za pomocą lampy , która jest w stanie emitować długość światła charakterystycznego dla Pb.

W atomizerach rozbijamy cząsteczkę na atomy:

Atomizery:

1. płomień

2. kuweta

Nebulizer- najpierw zasysa , a potem rozpyla się ją na taką mgiełkę , aby wielkość kropel nie przekraczała 5-20um.

Dysocjacja na pojedyncze atomy , a następnie absorbcja promieniowania jest mierzona.

Aby uzyskać płomień spalamy:

1. powietrze- metan - 1875°

2. powietrze - wodór- 2045°

3. powiet5rze - acetylen - 2300°

4. ditlenek azotu - acetylen 2750°

5. tlen - acetylen -3100°

Wady atomizacji płomienia:

1. mała wydajność atomizacji

2. niestabilność pracy

3. interferencje fizyczne i chemiczne

Kuwety grafitowe umieszczone są w podstawie metalowej chłodzonej wodą , jest ona opłukiwana czystym organem. Do kuwety wystarczy dozować od 5-20 ul. W kuwecie jest możliwość regulacji temperatury:

1. 120°-200° - odparowanie próbki

2. 300°-1000°- mineralizacja próbki

3. 1000°-2900° - atomizacja

4. 3000°- czyszczenie kuwety

W tej wysokiej temperaturze następuje atomizacja , odparowanie próbki i pomiar stężenia. W tej metodzie występuje metoda LAMBERTA - BEERA

•Technika wodorkowa ( SeH2, TeH2, SbH3, AsH3)

•Technika zimnych par (Hg)

•Tworzenie lotnych wodorków za pomocą NaBH4 ( tetrahydroboransodu) , przeprowadza pierwiastki w lotne wodorki.

•Działamy silny utleniaczem SnCl2. Silny reduktor , który wszystkie związki rtęci redukują................................. do rtęci metalicznej. Usuwamy je z próbki za pomocą argonu.

Analitycznie zastosowania absorbcji atomowej:

1. do oznaczenia pierwiastków śladowych głównie w roztworach

ilość śladowa ppm ppb ug/g ug/g 10^-6g 10^-9g

2. w analityce próbek środowiska , w geologii, w metarulgi , rolnictwie, medycynie

METODY EMISYJNE- wydzielanie energii przez wzbudzone atomy

Metody spektralne- emisyjne

1. spektrografia ( iskra, łuk)

2. spektrometria emisyjna ( ICP, MJP)

Najniższy poziom , na którym może być przeniesiony elektron z poziomu podstawowego nazywamy jest poziomem rezonansowym.

W metodach spektrograficznych wzbudzone za pomocą iskry lub łuki ( prądu stałego , prądu zmiennego)

W metodach spektometrii emisyjnej stosujemy plazmotrony , plazma o częstości radiowej ...................................................... lub mikrofalowej. ICP plazma wzbudzona indukcyjnie, MIP wzbudzona plazma za pomocą mikrofal.

	A	B	C
Mg	0,1	0,01	0,0005
Li	0,5	0,1	0,03
Cr	0,7	0,1	0,005
Mn	0,2	0,03	0,002

a) wzbudzenie iskrą

b) wzbudzenie łukiem

c) metoda ICP

Zastosowanie:

1. analiza metali i stopów

2. grody i minerały

3. agrotechnika , analityka środowiska , medycyna

FLUORESCENCYJNA SPEKTOMETRIA RENTGENOWSKA (XRF)

jądro promienie X - ray

promienie X - ray

K L M N

Bombardowanie elektronów promieniami rentgena.

Zalety:

1. nie przeprowadzamy próbki do roztworu

2. od węgla można badać pierwiastki

Wady:

1. stosowana dla większej ilości materiału badanego nie schodzi poniżej ppm

2. emitowane promieniowanie stanowi sumę promieniowań wszystkich materiałów w próbce

XRF:

•z dypersją długości fali

•z dyspersją energii

Najczęsciej stosowane kryształy:

• fluorek litu

• kwarc

Zasady działania:

Wiązka promieni rentgenowskich wychodzących z lampy przechodzi przez filtr i pada na próbkę. Wtórne promieniowanie przechodzi przez kolimator i pada na kryształ rozczepiający. Po obwodzie koła porusza się licznik proporcjonalny lub scyntylacyjny który mierzy natężenie promieniowania.

2 typy spektometrów:

• sekwencyjne

• wielokanałowe

Wady:

1. musimy mieć wzorce

2. efekty matrycowe

Zastosowanie XRF:

1. hutnictwo, metalurcia, geologia

2. cementowanie

3. analityka środowiska

4. medycyna (PIXE)

METODY CHROMATOGRAFICZNE

Dotyczą analizy związków organicznych

• zjawisko absorbcji

• zjawisko podziału

• sączenie molekularne

• wymiana jonowa

Al₂O₃ ma silną rozwiniętą powierzchnie , barwniki absorbują się na tej powierzchni

Al₂O₃ ma silne rozwiniętą powierzchnie , barwniki apsorbują się na niej

Adsorpcja - zjawisko typowo powierzchniowe , zagęszczenie się substancji stałych , ciekłych , gazowych na granicy faz.

Adsorpcje:

1. fizyczna- opiera się o działanie sił van der Walsa , siły powierzchniowe , słabe , o krótkim zasięgu , adsorbcja odwracalna

2. chemiczne- powstawanie wiązań chemicznych

Adsorbent- to na czym się adsorbuje

Adsorbat - to co się adsorbuje

Powinowactwo adsorbcyjne zależy od:

a)masa cząsteczkowa

ELEKTROCHEMIA

Elektrody

Podział elektrod:

1. elektrody pierwszego rodzaju - są to odwracalne względem kationu

2. elektrody drugiego rodzaju- są to elektrody odwracalne wspólnego anionu

3. elektrody trzeciego rodzaju- są to elektrody odwracalne względem wspólnego kationu

4. elektrody utleniająco- redukcyjne - w elektrodach tych obojętnie chemicznie - metal (Pt, Au) jest zanurzony w roztworze zawierającym substancję w formie utlenionej i zredukowanej

Rozróżniamy elektrody:

1. elektrody porównawcze - odniesienia

2. elektrody wskaźnikowe

Układ składający się z elektrody odniesienia i elektrody wskaźnikowej nazywa się ogniwem elektrochemicznym.

Potencjał elektrod metalowych

Me <==> Me + ne¯

Powstawanie podwójnej warstwy stycznej- ujemnej na metalowej i dodatniej na roztworze.

Układ utworzony przez fazę metaliczną graniczącą z elektrolitem nazywamy półogniwem, a potencjał między fazami w takim półogniwie nazywamy potencjałem elektrody.

Równanie Nersta:

E = E₀ + RT/nF · ln [utl]/[zred] - stężenie molowe

Dla fazy stałej [zred]= 1

E= E₀ + RT/nF ·ln · c· Meⁿ⁺

E- potencjał elektrody

E₀ - potencjał normalny

R - stała gazowa

n- liczba elektronów biorących udział w redukcji

T- temperatura bezwzględna

F- stała Farada'ya - potrzebna ilość elektryczności do zredukowania 1 gram równoważnika substancji

Dla roztworów stężonych wstawiamy aktywność zamiast stężenia [mol]

E = E₀ + RT / nF ln a _Meⁿ⁺ A= F· c

A- aktywność

Elektroda wodorowa

Elektroda I rodzaju

H₂ <=> 2H⁺ + 2e

E_H2 = E₀ + RT / nF ln a²H⁺ / pH₂

a - aktywność H⁺ E₀ = 0 a² = 1 p = 1

p - ciśnienie H₂

Elektrodę wodorową stanowi płytka platynowa pokryta czernią platynową , zanurzoną w roztworze jonów wodorowych( np. HCl) o aktywności e_h =1 . Przez układ ten przepływa wodór gazowy pod ciśnieniem p =1 omywając płytkę.

Elektrody II rodzju

Elektroda taka jest zbudowana z metalu Me , który jest w kontakcie ze stałą trudno rozpuszczalną solą tego metalu i roztworu dobrze rozpuszczalnej soli innego dowolnego metalu z tym samym anionem.

Potencjał elektrody ................... Hg, Hg2, Cl2, Cl^-

2Hg <====> Hg₂²⁺ + 2e

2_Hg2Cl2 = 2 * 10^-18

Potencjał normalny

Potencjał normalny elektrod jest to siła elektromotoryczna ogniwa złożonego z normalnej elektrody wodorowej i drugiej elektrody zanurzonej w roztworze własnych jonów o aktywności a=1.

Reakcje elektrodowe uszeregowane według rosnących wartości odpowiadających im potencjałów normalnych noszą nazwę szeregu napięciowego.

POTENCJOMETRIA- metoda chemiczna wykorzystująca potencjał ogniwa.

Pomiar siły elektromotorycznej ogniwa pozwala wyznaczyć aktywność lub stężenie składników roztworów.

W potencjometrii ogniwo pomiarowe składa się z półogniw połączonych przegrodą półprzepuszczalną w stosunku do jonów znajdujących się w elektrolitach półogniw lub przez klucz elektrolityczny , który zapewnia przewodnictwo pomiędzy półogniwami.

Elektrody

Półogniwo ( elektrodę) to metal zanurzony w roztworze.

W zależności od zachowania się metali w roztworze można je podzielić:

1. metal obojętny- metal , który nie wchodzi w żadne reakcje chemiczne ze skałdnikami roztworu. Są to węgiel szklisty , platyna.

2. Metal aktywny - metal zanurzony do roztworu własnych jonów. Na granicy faz pomiędzy takim metalem a roztworem ustala się równowaga chemiczna.

Półogniwo można zbudować z dowolnego metalu z wyjątkiem metali o większym niż wodór powinowactwie chemicznym do Helu. Metale o dużej twardości , jak chrom i żelazo , których powierzchnie są niejednorodne w półogniwie nie gwarantują powtarzalnych własności.

Reakcje w ogniwie

Połączenie ( zamknięte) elektrod ( półogniw) przewodnikiem umożliwia przepływ prądu stałego w przewodniku a w roztworze płynie prąd dzięki ruchliwości jonów znajdujących się w elektrodzie. Na anodzie zachodzą reakcje utleniania , a na katodzie reakcje redukcji.

v A_zred <==> pA_Utl. + ne

sB_utl. + ne <==> qB_zred.

-----------------------------

vA_zred. + sB_utl. <==> pA_utl. + qB_zred.

Równanie Nernst`a dla substancji A i B

E_A = E_A⁰ - RT/nF ln (A_zred. )^pn / (A_utl.)^pn

E_B = E_B⁰ - RT/nF ln (B_zred. )^qn / (B_utl.)^qn

E_ogniwa = E_B - E_A

Konwencja znaków potencjału

Według zaleceń międzynarodowej unii chemii czystej i stosowanej ( JUPAC). Reakcje połówkowe należy pisać w postaci procesów redukcji charakteryzujących się odpowiednimi wartościami . Wartości te są ujemne w stosunku do NEW. Jeśli metal stanowiące elektrody jest silniejszym reduktorem niż wodór natychmiast dodatnie w przypadku słabszych reduktorów niż H.

Z definicji w ten sposób wartości nazywa się standardowym potencjałem elektrod. Jeżeli napisze się reakcje zachodzącą na elektrodzie w postaci procesu utlenienia to znak związanego potencjału musi być zmieniony na odwrotny.

Nadnapięcie. Nadpotencjał

Różnice między potencjałem równowagowym a rzeczywistym potencjałem nazywa się nadnapięciem. Zgodnie z założeniem termodynamiki ogniwo pracuje w sposób nieodwracalny gdy towarzyszy temu przepływ znacznego prądu. Rzeczywista wartość potencjału półogniwa w tych warunkach jest zawsze większa od odpowiedniego potencjału odwracalnego , jaki wynika z równania Nersta( katoda bardziej ujemna, anoda bardziej dodatnia).

Potencjały normalne i formalne

Zmierzone potencjały niektórych półogniw ( metali przejściowych )w układzie półogniwo badane- New lub inną elektrodą wzorcową różnią się znacznie od wyliczonych na podstawie równania Nersta. Różnice te spowodowana są powstawaniem związków kompleksowych lub innych czynników. W takim przypadku znajomość potencjałów standardowych jest mało przydatna gdy brak jest danych potrzebnych do wyznaczenia aktywności. W takim przypadku korzysta się z wartości potencjałów formalnych( rzeczywistych) które zostały wyznaczone dla określonego środowiska reakcji.W praktyce analitycznej częściej posługujemy się potencjałem formalnym.

Elektrody stosowane w potencjometrii.

Elektrody porównawcze stosowane w potencjometrii:

Najczęściej stosowanymi elektrodami porównawczymi są :

a)nasycona elektroda kalomelowa (NEK) Hg/ Hg2 Cl2/ KCl- rtęć metaliczna , pasta z rtęci metalicznej i kalomelu, roztwór chlorku potasu, potencjał wzg. New w 25° C.

b)chlorosrebrowa - Ag/Ag Cl/ KCl- srebro metaliczne powleczone warstwą chlorku srebra w roztworze chlorku potasu

c)elektroda talamidowa.

3. rtęciowo- jodkowa - Hg / HgJ2, KJ, KCl

4. rtęciowo- siarczanowa Hg/ Hg SO4

5. normalna wodorowa ( NEW) - Pt, H2, H

Elektrody wskaźnikowe

a)srebrowa

b)rtęciowa

c)platynowa

d)jonoselektywna ( ISe) - charakteryzuje się :

• elektro czynną częścią elektrody jest membrana

• różnicą potencjału na granicy fazy membrany/ roztwór decyduje o reakcji wymiany jonowej między jonami z roztworu a jonami membrany

e)węglowa

Podział elektrod jonoselektywnych ze względu na szczególny kontakt:

• jonoselektywna elektroda ze szklanymi membranami - elektroda szklana

• jonoselektywna elektroda ze stałymi membranami

• jonoselektywna elektroda z ciekłymi membranami

• jonoselektywna elektroda z podwójnymi membranami- elektrody czułe na gazy

• elektrody enzymatyczne

Właściwości elektrod jonoselektywnych (ISE)

• czułość, selektywność, zakres prostoliniowości

Analityczne zastosowanie potencjometrii

- ph- metria

• potencjometria bezpośrednia

• metoda krzywej wzorcowej

• metoda dodawania wzorca

• miareczkowanie potencjometryczne

Wyznaczanie punktu końcowego miareczkowania:

• metoda klasyczna

• metoda graficzna

• metoda I pochodnej dE/dV

• metoda II pochodnej d ² E/ d ²

Zastosowanie:

• w laboratoriach klinicznych i biochemicznych ,pomiar ph płynów ustrojowych

• w laboratoriach analitycznych

• w laboratoriach przemysłowych

Polarografia

Termin polarografia (p) i woltamperometria (w) obejmuje wiele metod elektrolitycznych opartych na zjawiskach zachodzących w układzie elektrod, z których jedna ulega polaryzacji.

Polarografia i woltamperometria należą do tych metod elektrochemicznych, w których bada się natężenie prądu elektrycznego płynącego przez komórkę pomiarową w zależności od przyłożonego do elektrod napięcia. Zależność natężenia od przyłożonego napięcia (I= f(E)) nazywa się krzywą polarograficzną ( woltamp. ) .

Co różnicuje te dwie grupy metod?

Otóż zgodnie z zaleceniem JUPAC:

• termin polarografia należy stosować w przypadku gdy elektroda pracująca jest elektrodą ciekłą (kg) z powierzchnią odnawiającą się w sposób ciągły lub okresowy.

• Termin woltamperometriam należy stosować do tych metod , w których elektrodami pracującymi są elektrody stacjonarne ( np. Elektrody stałe lub stacjonarna elektroda rtęciowa)

Termin polarografia obejmuje zatem wiele technik elektroanalitycznych, a m.in. :

• polarografia klasyczno -stałoprądową DCP

• polarografia zmiennoprądowa- sinusoidalna ACP

• polarografia pulsowa - normalna NPP

• polarografia pulsowa - różnicowa DPP

• polarografia selekcyjna

Także wśród metod tych woltoamperomatrii można wyróżnić różne techniki pomiarowe:

• woltoamperometria cykliczna

• woltoamperometria z linowo zmieniającym się potencjałem elektrody pracującej LSV

• woltoamperometria odwrócona (inwersyjna) SV

1

1