VYBRANÉ METODY Z ANALYTICKÉ
CHEMIE
Pavel Coufalík
Potravinářská chemie I, podzim 2023
Přehled metod
2
Volumetrie
• Titrace acidobazické (neutralizační)
• Titrace srážecí (vznik málo rozpustných produktů)
• Titrace chelatometrické (vznik málo disociovaných komplexů)
• Titrace redoxní (přenos elektronů; oxidimetrie a redutometrie)
Gravimetrie
Kolorimetrie
Ultrafialová a viditelná spektrometrie (UV/VIS)
Volumetrie
3
• Předpoklad stanovení analytu – kvantitativní (a dostatečně rychlá)
stechiometrické reakce činidla s analytem
• Stanovení obsahu analytu ze změřeného objemu titračního činidla o
známé koncentraci
• Pro koncentrace od 10-3 mol/l
• Titrace za pomocí byrety; automatické titrátory
Titrační aparatura
Volumetrie
4
• Bod ekvivalence – spotřebované
množství titračního činidla odpovídá
množství analytu
• Vhodná indikace bodu ekvivalence –
nejčastěji použití vizuálních indikátorů
(barevná změna roztoku) nebo
potenciometrické měření (např.
měření pH)
• Titrační křivka – závislost sledované
vlastnosti (např. pH) na objemu
přidaného titračního činidla
• Titr roztoku – přesná známá
koncentrace titračního roztoku (mol/l)
• Faktor roztoku – poměr mezi
skutečnou a požadovanou koncentrací
• Přesnou koncentraci roztoku lze
připravit pouze ze základních látek
Průběh titrace
Volumetrie
5
• Základní látka – chemická sloučenina, která nemění hmotnost při
navažování – nárůst hmotnosti o H2O nebo CO2, (oxidace vzdušným
kyslíkem)
• Příprava odměrného roztoku – ze základní látky nebo standardizací
• Standardizace – titrace známého množství základní látky (primární
standard) o přesné koncentraci odměrným roztokem → určení
přesné koncentrace titračního činidla → titrace analytu
• Chemické indikátory – látky způsobující barevnou změnu roztoku
(jednobarevné nebo barevná změna); acidobazické, metalochromní,
redoxní
• Funkční oblast indikátoru – interval barevné změny indikátoru
(např. v rozmezí pH)
• Bezindikátorová titrace – titrace barevným titračním činidlem
• Chyba titrace – bod ekvivalence nelze určit nikdy zcela přesně –
přidávání činidla po kapkách, barevná změna indikátoru se nekryje
přesně s bodem ekvivalence; vyhodnocení z průběhu titrační křivky
graficky nebo výpočtem
Volumetrie
6
• Příprava odměrného roztoku: mlátky = clátky . Mlátky . Vroztoku
(m – hmotnost v g, M – molární hmotnost v mol/l, V – objem roztoku v l)
• Přímá titrace – titrace vzorku titračním činidlem
• Nepřímá titrace – nadbytkem činidla se uvolní produkt, který
titrujeme odměrným roztokem
• Zpětná titrace – ke vzorku se přidá známý nadbytek činidla, po
proběhnutí chemické reakce se zbylý nadbytek činidla titruje
odměrným roztokem
• Kapalné vzorky – naředění do definovaného objemu
• Pevné vzorky – rozpuštění do definovaného objemu
• Provedení titrace – jedna hrubá titrace na začátku pro orientační
zjištění bodu ekvivalence; pro výpočet používáme průměrnou
spotřebu titračního činidla ze třech následujících opakováních
• Při titraci intenzivně mícháme titrovaný roztok!
Acidobazické titrace
7
• Acidimetrie – titrace odměrným roztokem kyseliny
• Alkalimetrie – titrace odměrným roztokem zásady
• Titrační křivka – závislost pH na objemu titračního činidla
Titrační křivka titrace silné kyseliny silnou zásadou Titrace vícesytné kyseliny (H3PO4)
Acidobazické titrace
8
Acidimetrie
• Odměrné roztoky HCl, H2SO4, HClO4 o koncentraci 0,1-1 mol/l
• HCl – uvolňuje plynný HCl; H2SO4 – přijímá vlhkost ze vzduchu
• Základní látky – Na2CO3 (vysušený při 300°C), KHCO3, NaHCO3
• Titrace na methyloranž
• Standardizace roztoku HCl na Na2CO3:
Na2CO3, + 2HCl → 2NaCl + CO2 + H2O
Alkalimetrie
• Odměrný roztok NaOH, KOH o koncentraci 0,1-1 mol/l
• NaOH – přijímá H2O i CO2 ze vzduchu → standardizace roztoku
• Základní látky – kyselina šťavelová, benzoová, salicylová
Acidobazické titrace
9
• Acidobazické indikátory – organické kyseliny nebo zásady
• Funkční oblast indikátoru:
• Vizuální detekce – přeměna 10% dvoubarevného indikátoru; u
jednobarevných indikátorů je zbarvení závislé na jejich koncentraci
• Alkalimetrická titrace na fenolftalein
Acidobazické titrace
10
Titrace kyseliny octové odměrným roztokem NaOH
• Výpočet stanovení v pevném vzorku:
Srážecí titrace
11
• Předpoklad – dostatečně rychlý vznik sraženiny analytu s titračním
činidlem
Argentometrická titrace
• Titrace roztokem AgNO3, vznik málo rozpustných halogenidů Ag;
naopak stanovení Ag titrací roztokem NaCl
• Stanovení Ag, Cl-, Br-, I-, SCN•
Roztok AgNO3 o koncentraci 0,01 – 0,1 mol/l
• Základní látka – NaCl (vysušení 120°C)
• Velmi nízké součiny rozpustnosti sraženin
Srážecí titrace
12
Určení bodu ekvivalence v argentometrii
• Mohrova metoda
Indikace K2CrO4 – po vysrážení halogenidů se sráží Ag2CrO4
• Volhardova metoda
Titrace Ag roztokem NH4SCN s indikací vznikem železité soli
• Fajansova metoda – použití adsorpčních indikátorů (fluorescein, eosin)
Komplexometrické titrace
13
• Předpoklad – vznik stabilních komplexních sloučenin
Chelatometrie
• Titrace chelatony:
• Chelaton reaguje s analytem v poměru 1:1
• Chelaton III o koncentraci 0,01 – 0,05 mol/l
• Stabilita chelátu závislá na pH
• Základní látky – čisté kovy (Cu, Zn) nebo soli (CaCO3, PbCl2)
• Jednobarevné indikátory – KSCN, sulfosalicylová kyselina
• Metalochromní indikátory (organická barviva) – murexid,
eriochromová čerň T
Komplexometrické titrace
14
Merkurimetrie
• Titrace roztokem Hg(NO3)2
• Tvorba málo disociovaných, dobře rozpustných sloučenin Hg2+ s Cl-,
Br-, CN-, SCN•
Základní látka – NaCl
• Indikátor – nitroprusid sodný, difenylkarbazid
murexid eriochromová čerň T
Redoxní titrace
15
• Oxidační činidlo – látka přijímá elektrony a tím se redukuje
• Redukční činidlo – látka odevzdává elektrony a tím se oxiduje
• Stejná látka může být v jedné redoxní reakci oxidačním činidlem, v
jiné redukčním činidlem.
Ox + n e- ↔ Red
oxidační činidlo redukční činidlo
• Za běžných podmínek se elektrony nemohou vyskytovat ve volném
stavu, oxidace a redukce vždy probíhají současně
Ox1 + Red2 ↔ Ox2 + Red1
• Oxidimetrické i reduktometrické titrace – přídavkem odměrného
roztoku se mění poměr oxidované a redukované formy analytu
• Oxidační činidla: KMnO4, K2Cr2O7, KBrO3, I2, Ce4+
• Redukční činidla: soli Ti3+, Cr2+, Fe2+, Sn2+
Redoxní titrace
16
Manganometrie
• Titrace roztokem KMnO4 o koncentraci 0,002 – 0,1 mol/l
MnO4
- + 8H+ + 5e- ↔ Mn2+ + 4H2O
• Základní látky – kyselina šťavelová, šťavelan sodný
• Stanovení kyseliny šťavelové, šťavelanů, siřičitanů, dusitanů, jodidů,
peroxidů, H2O2, solí Sn, Sb, As …
Stanovení železa a jeho solí
• V prostředí H2SO4, s autoindikací manganistanem
• Železné piliny se rozpustí ve zředěné H2SO4 a
titrují manganistanem
5Fe2+ + MnO4
- + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O
Autoindikace bodu ekvivalence v kyselém prostředí
Redoxní titrace
17
Jodometrie I2 + 2e- ↔ 2I•
Odměrný roztok – roztok jodu o koncentraci 0,01 – 0,1 mol/l
v prostředí KI
• Titrace v rozmezí pH = 0-8 (kyselá a slabě zásaditá oblast)
• Bod ekvivalence je indikován první přebytečnou kapkou roztoku jodu
(žlutohnědé zbarvení) nebo modrým zbarvením sloučeniny I3
- se
škrobem
• Základní látky - resublimovaný jod, As2O3, K2CrO4, KBrO3, KIO3
• Stanovení formaldehydu, Cl2, Br2, H2O2, solí As, Sb, Sn, Fe, S2-, SO3
2-,
ClO3
-, BrO3
-, IO3
-, MnO4
-
Adsorpční
sloučenina
amylózy
Použití titrací v potravinářské chemii
18
• Argentometrické stanovení obsahu soli v potravinách
• Jodometrické stanovení vody v potravinách (podle Karl Fishera)
• Stanovení siřičitanů a kyselin ve víně
• Stanovení kyseliny citrónové v nápojích
• Stanovení kyseliny octové v octu
• Stanovení kyseliny šťavelové ve špenátu
• Stanovení vitaminu C
…
Gravimetrie
19
• Metoda založená na kvantitativním vyloučení stanovované složky ve
formě málo rozpustné sloučeniny (tzv. vylučovací forma), která se
převede sušením nebo žíháním na sloučeninu definovaného složení
(tzv. vážitelná forma)
• Gravimetrický faktor:
Gravimetrie
20
Srážení
• Pomalé přidávání srážecího činidla do zředěného roztoku vzorku za
míchání (+ úprava pH, teplota roztoku …)
• Většinou za horka – vznik lépe filtrovatelné sraženiny
(+rekrystalizace v matečném louhu)
Gravimetrie
21
Filtrace a promývání
• Papírové kvantitativní filtry (nízký obsah popeloviny), filtrační
kelímky s fritou
• Promývání sraženiny destilovanou vodou, dekantace
Sušení a žíhání
• Převedení na vážitelnou formu, do konstantní hmotnosti
• Sušení sraženiny na 100-120°C, chladnutí v exikátoru
• Sušení a spalování filtru v kelímku, žíhání zuhelnatělého zbytku nad
kahanem nebo v peci
Gravimetrie
22
Stechiometrické výpočty v gravimetrii
• Stanovení analytu ve vážitelné formě sloučeniny :
• Příprava Fe2O3 – stanovení Fe:
Gravimetrie
23
• Jednoduchá vážková analýza – stanovení sušiny, popeloviny
• Stanovení škrobu, pentosanů, pektinu, sterolů, tuků, ligninu,
glycerolu, kys. mravenčí, citrónové …
24
Spektrum záření
25
Kolorimetrie
26
• Nejstarší optická metoda – vizuální porovnání intenzity zbarvení
vzorku a standardu
• Absorbance Avzorek = Astandard
2 možnosti srovnávání:
• Roztok vzorku porovnáváme se sadou různě koncentrovaných
roztoků při stejné tloušťce absorbující vrstvy (stejný průměr válce,
zkumavky) cvzoreklvzorek = cstandardlstandard
• Měníme tloušťku absorbující vrstvy dokud nedosáhneme stejné
absorbance cvzorek = cstandard* lstandard/lvzorek
(c – koncentrace, l – tloušťka absorbující vrstvy)
Kolorimetr podle Wolfa
Kolorimetrie
27
• Zdroj záření pro viditelnou oblast –
wolframová nebo halogenová žárovka
Princip kolorimetrie
Ultrafialová a viditelná spektrometrie
28
• UV/VIS – absorpce ultrafialového a viditelného záření (200 – 800
nm) zředěnými roztoky látek
• Fotometrie (spektrofotometrie) – měření prošlého zářivého toku přes
absorpční vrstvu
• Transmitance:
• Absorbance:
Absorpce při průchodu záření kyvetou se vzorkem
UV/VIS
29
Lambert-Beerův zákon:
• Platný pro zředěné roztoky látek do koncentrací 0,01 mol/l
• Platný pro monochromatické záření
• UV/VIS spektrum – závislost absorpce na vlnové délce záření
• Absorpce záření molekulou – molekulová spektrometrie
• Chromofor – seskupení atomů v molekule způsobující absorpci
záření v oblasti 200-800 nm
UV/VIS instrumentace
30
• Zdroj UV záření – deuteriová lampa
• Monochromátor – hranol, mřížka
• Kyveta – skleněná pro VIS, křemenná pro UV (použití organických
rozpouštědel pro UV spektrometrii)
• Detektor – fotočlánek, fotonásobič
• Citlivá, jednoduchá a relativně levná metoda; stanovení čistoty látek
Jednopaprskový systém
UV/VIS instrumentace
31
• Porovnání absorpčního spektra látky
se spektry standardů
• Kvantitativní stanovení anorganických
i organických látek přesnými postupy
Dvoupaprskový systém
UV/VIS
32
Použití
• Stanovení vitamínů, alkaloidů, antibiotik, léčiv
• Klinicko-biochemické analýzy (krev, moč)
• Sledování stability léčiv, chemických sloučenin …
• Stanovení jednotlivých složek v několikasložkových směsích (měření
při různých vlnových délkách)
• Sledování průběhu chemických reakcí
…
33
34