MUNI P E D ANALYTICKÁ CHEMIE (FC3013) Mgr. Jana Horská, Ph.D. Katedra fyziky, chemie a odborného vzdělávání Pedagogická fakulta MU Poříčí 7 603 00 Brno E-mail: horska@ped.muni.cz 1. část GEORGII AGRICOLAE Historie analytické chemie - Georqe Aqricola: De re metallica HbriXII (1556) -stanovení zlata - Poč. 19. st. - Justus von Liebiq: systém organické elementární analýzy - (zakladatel aplikace průmyslových hnojiv) - Do poč. 20. st - metody tzv. chemické analýzy - Dnes - instrumentální analytické metody Analytická chemie. 1. část. Poslání a podstata analytické chemie -Vědní obor, zabývající se poskytováním informací o chemickém složení hmotných objektů - Interdisciplinární věda —► poznatky z obecné, anorganické i organické chemie, fyziky, biologie i matematiky - Experimentální analytická chemie -Analytická chemometrie Analytická chemie. 1. část. zřetelně aplikační charakter M U N I P E D Poslání a podstata analytická chemie Chemické, fyzikálně-chemické a fyzikální postupy důkazů nebo identifikace a stanovení prvků, anorganických a organických sloučenin a jejich směsí Metody separace komponent ve směsích Postupy určování chemického složení a struktury sloučenin, prostorového rozložení prvků ve sloučenině nebo komponent ve vzorku Tzv. speciační analýza Postupy určování struktury a složení povrchů pevných látek Metody matematického zpracování získaných informací a jejich vyhodnocení M U N 4 A"*"—P E D Poslání a podstata analytická chemie 5 Analytická chemie. 1. část. 6 Analytická chemie. 1. část '"ÄeskuLab a Unilabs company Analytická chemie. 1. část. Příjmení: Jméno: Číslo pojištěnce: Bydliště: Plátce: Odebral: Druh primárního vzorku: UREA.KREA.KM Urea Kreatinin Kyselina močová O Cystatin C O Osmolalita lonty (krev) lb, K. Cl o Ma K O Cl Ca Ca ionizovaný O P O Zn Ca O Jalerní blok, enzymy (krev) BILcelk.MliSieBJM Bilirubin celkový Bilirubin konjugovaný ALT AST GGT ALP O ALP izoenzymy O LD o Cholinesteráza Amyláza Amyláza pankreatická ZADANKA NA LABORATORNÍ VYŠETŘENI AeskuLab k.s., Evropská 2589/33b, 160 00 Praha 6 Klientské centrum: tel.: +420 800 737 383, e-mail: podpora@aeskulab.cz, www.aeskulab.cz n / Datum narození: mmc Razítko, jméno a podpis lékaře, odbornost, IČP O : Diagnózy: Počet vyšetřeni: Samoplátce: Hotové : Kartou Datum: Cas: Způsob úhrady: Krev Moč Sliny Stolice O STATÍM o 3 úhrada na 0M [ ) faktura lékaři ( ) výkon podléhající DPH* Proleiny, zánět (krevl Endokrinologie ikrevj Hematologie (krev) Koagulace (krev) Albumin TSH O_ Krevní obraz FT (Quick, INR) Celková bílkovina M T4 O KO + diferenciál aPTT O ELFO bílkovin (*CB) fI3 Ol 13 Oi Retikulocyty fibrinogen o Imunoiixace anti-TG O ^ Sedimentace ERY D-d TiE'y o FLC (vol. leh. řetězce) anti-TPO_O Imunohematologie (krev) TT (Trombincvý čas) o Prealbumin anti-TSH receptor 'Krevní sk t Rh faktor Antitramhin o Interleukin 6 TG (tyreoglobulin) ^ Screening protilátek O anti-Xaaktivita's o CRP TBG O Antikoagulační léčba: ProC Global o ASLO O FSH LH Protein C o Rf o Prolaktin Protein S o anti-CCP Estradiol Faktor VIII IgA F-::«:e-:r Dabigatran' o igE hCG Rivaroxaban'5 o IgG DHEA-S b «aban'f o IgM Testosteron Preeklampsie(krev) Podtřidy lgG1-lgG4 Testasteron volný ísFLT-1/PIGF o PodtřidylgA1,lgA2 SHBG Těhotenský screening (krev) ECP7 O Kartizo! ráno f 1. trimestr (PAPP-A, tß-hCG) o C3 C4 Kortizol večer 1. trimestr (PIGF) C1 inhibitor o Aldosteron klid 2. trimestr (AFP, hCG, Estriol volný) o MBL Aldosteron zátěž Počet plodu: Váha: CIK-PEG PRA (plazm. renin. akL)"f CIK-C1q ACTH Datum (Ji Délka grav.v den UZ: a-1-antitrypsin Endokrinologie (sliny) itjier-jsri Ranní moč Chemicky + sediment Amyláza o AlbumjKrtaL(ACRp o BťkJKreal(PCR)-» o Glukóza o Osmolalita o ELFO bílkovin (-tCB) o Imunoiixace o FLC (vol, leh, řetězce) o Sbíraná moč Objem Ani/: Doba sběru/hoď' Hmotnost/kg/: Výška /cm/: Urea o Kreatinin o Kyselina močová Clearance kreatininu'8 ~~ö~ Albumin o Celková bílkovina o Na,K,CI o Ca o P o Mg o i C Laboratorní vyšetření 03085 Močovina S 01511 Kreatinin S 03077 Kyselina močová S 00581 ALT S 00920 AST S 02503 Sodik S 02269 Draslik S 01432 Chloridy S 01224 Vápnik S 05043 Osmolalita vypočtena S 08176 Osmolalita efektivni 3 01349 Cholesterol S 02035 HDL cholesterol S 02324 Cholesterol LDL S 03025 Triacylglycerol S 26028 Index aterogenity K. 08817 Rizikový index cholest. 17357 non-HDL cholesterol 01898 Glukóza S 03048 Thyreoidalni stim.h. S 14850 GF - MDRD 8 Analytická chemie. 1. část. 3.7 mmol/1 (3.2 - 8.2) 64 umol/1 (44 - 71} 213 umol/1 (184 - 464} 0.40 ukat/1 (0.12 - 0.67} 0.41 ukat/1 (0.22 - 0.67) 136 mmol/1 (136 - 145) 4.44 mmol/1 (3.50 - 5.10) 104 mmol/1 (98 - 107) 2.49 mmol/1 (2.18 - 2.60) 281 mmol/kg (275 - 295) 277 mmol/kg (240 - 330) 4.5 mmol/1 (2.9 - 5.0} 1. 94 mmol/1 (1.20 - 2.70) 2.15 mmol/1 (1.20 - 3.00) 1.53 mmol/1 (0.45 - 1.70) 1.3 jedn. (0.0 - 3.0) 2.3 1 (0.0 - 4.0) 2.6 mmol/1 (0.0 - 3.8) 4.80 mmol/1 (3.90 - 5.59) 2.112 mIU/1 (0.550 - 4.780) >1.50 ml/s (1.00 - 1.50) M U N I P E D Jak pracuje analytik? např: FTIR 9 Analytická chemie. 1. část. Rozdělení metod analytické chemie - Kvalitativní analýza - Kvantitativní analýza -Strukturní a povrchová analýza - Speciační a vazebná analýza - Důkaz = analyt + činidlo (reagent) - Matrice = zbytek vzorku, není předmětem analýzy X - Stanovení Analytická chemie. 1. část. Rozdělení metod analytické chemie - Dle způsobu vyhodnocení signálu - Primární (absolutní, definitní, bezkalibrační) - Např. odměrný a vážková analýza, coulometrie - Relativní - nutná kalibrace (kalibrační vzorky) - Lambert-Beerův zákon - Screeningové metody - poskytnutí rychlé a nepříliš nákladné informace O Velkém pOČtU VZOrkŮ Novorozenecký laboratorní screening 11 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Kalibrační sada pro spektrofotometrické stanovení iontů železa Rozdělení metod analytické chemie - Dle způsobu vzniku signálu -Chemické - např. vyizolujeme určitou sloučeninu ze směsi a její množství zvážíme - Fyzikální (instrumentální) - např. zaznamenáme emisní spektrum kovového vzorku a ze vztahu mezi intenzitou spektrální čáry a množstvím prvku, kterému ona čára přísluší, vyhodnotíme obsah prvku ve vzorku - Dle schopnosti, jaké množství jsou schopny analyzovat - Hlavní makrosložky (obsah > 1 %) x vedlejší makrosložky (0,01 - 1%) x mikrosložky (obsah < 0,01 %) - Existuje dolní hranice obsahu analytu? ppm (104 %) až ppb (107 %), špičkové techniky až ppt (10-10 %) 13 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Metoda Měřená vlastnost Použití Gravimetrie Hmotnost sloučeniny s definovanou hmotností Kvantitativní analýza - hlavní a vedlejší makrosložky Odměrná analýza Objem odměrného vzorku Kvantitativní analýza - hlavní a vedlejší makrosložky Atomová a molekulová spektrometrie Zářivý tok emitovaný či absorbovaný při dané vlnové délce Kvalitativní, kvantitativní a strukturní analýza - od hlavních makrosložek až po mikrosložky Hmotnostní spektrometrie Hmotnost iontu vztažena na jednotkový náboj Kvalitativní, kvantitativní a strukturní analýza - od hlavních makrosložek až po mikrosložky Chromatografie Různé fyz.-chem. vlastnosti Separace směsi - od hlavních makrosložek až po mikrosložky Elektrochemické metody Elektrické vlastnosti analytu v roztoku Kvalitativní a kvantitativní analýza - od hlavních makrosložek až po mikrosložky Radiochemická analýza Charakteristické ionizující záření emitované analytem Kvalitativní a kvantitativní analýza - od hlavních makrosložek až po mikrosložky 14 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Analytická reakce -Snadno a rychle proveditelná - Provázena pozorovatelnou změnou - Dostatečná citlivost -Charakteristická pro určitou látku nebo danou skupinu látek - Nutné znát reakční mechanismus, podmínky průběhu reakce i reakční produkty! 15 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Dělení chemických reakcí v analytické chemie - Reakce acidobazické (neutralizační) - Reakce komplexotvorné - Reakce srážecí Reakce oxidačně - redukční - Reakce skupinové - dokazují určitou skupinu iontů s podobnými chemickými vlastnostmi - Reakce selektivní - za předepsaných podmínek dovolují charakterizovat jen omezený počet iontů - Reakce specifické - umožňují dokázat za předepsaných podmínek přítomnost pouze jediného iontu 16 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Ag+ Hg2 HCI ++ rozp. vNHiOH ++ NH4OH černé H2SO4 H2C2O4 H2S (NH4)2S NH4OH KOH Na2C03 ++ ++ ++ + + šedá, kofoitíní Hg 'post.čemá Hg) ++ Na2HP04 K2CrO ++ Kl ++ ozp.vthiosírant Na(AcO) ++ tyClrozp.vNH«OH Sel./Spec. S:äi Cl rjH4OH černá Nessleiwo čiň. v parách zalkal. vz. Vysvětlivky: + nedokonalé srážení ++ dokonalé srážení (+) sraženina se rozpouští v nadbytku činidla (barva původní sraženiny představuje pozadí buňky a barva vznikajícího roztoku je barevné zvýraznění textu) 17 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D 18 Analytická chemie. 1. část. Ba2* Ba2* Ba2* Ag* Ag* Redukce Redukce Oxidace Těkavost Zřeď. kys.octová Zřeď. HCI Zřeď. HNOj Mn04- \? r F" + + - - - — - — + Cľ — — — + + (*) — — — Br' - - - + + + za katalýzy Cl/' - - - r — — — + + + — — — CIO" — — — M M — + — cio3- - - - - - - - + - cio4- - - - - - - - - - Br03- — — — + + — — + — ICV + + + + + - - + — io4- - - - (*) - - - + - HS- - - - + + - + so3z" + + - + — + + - + zápach s2o32- + ú\ý lákal do c/i vi + - + rozp. v nadb. - + + - + zápach so„2- + + + (*) - - - - — Cr04z" + + - - - - + — As033" - - + - + + - - As043" + - - - - - + — P043" + — — + — — — — — ON' - - - + + + + - + zápach SCN" - - - + + + - - [Fe(CN)6]4 - - - + + + + - — [Fe(CN)6]3 - - - + - - + — NO2" - - - - + - + + zápach NO3- - - - - - - - - - Si032' - - + - - - - — co32- + - - + - - - - (*) B(OH)4- M - - + - - - - - Vysvětlivky: + dokonalé srážení (+)nedokonalé sráženi M U N I P E D Je přítomný nikl? -Stanovení niklu ve formě dimethylglyoximátu nikelnatého -Soli nikelnaté se vylučují v amoniakálním prostředí alkoholickým roztokem dimethylglyloximu jako červený dimethylglyoximát nikelnatý chelátové struktury, který se po vysušení váží) nikelnatá sůl Í M U l\l I 19 —■ P E D Vyjádření obsahu složky ve směsi - Hmotnostní zlomek: wA = mA / m, (mA - hmotnost složky A; m - celková hmotnost) - Hmotnostní procenta: počet hmotnostních dílů složky ve 100 hmotnostních dílech celku (roztoku, vzorku) PA = 100 . wA (%) - Jednotky používané pro vyjádření nižších a stopových obsahů: g/kg = mg/g (promile [ %o]) mg/kg = |jg/g (parts per million - ppm) = 10~4 % (10~6 hmotnostní zlomek) |jg/kg = ng/g (parts per billion - ppb) = 107 % (109 hmotnostní zlomek) ng/kg = pg/g (parts per trillion - ppt) = 1010 % (1012 hmotnostní zlomek) dříve v potravinářské analytice: mq/100q A n 20 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Vyjádření obsahu složky ve směsi - hmotnostní zlomek 21 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Vyjádření obsahu složky ve směsi - Objemový zlomek: <|)A = VA/V, (VA - objem složky A; V - celkový objem) -Objemová procenta (kapaliny, plyny): počet objemových dílů složky ve 100 objemových dílech celku (např. objem rozpuštěné kapaliny v ml ve 100 ml roztoku) 22 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Vyjádření obsahu složky ve směsi - Hmotnostní koncentrace: hmotnost látky (složky) rozpuštěné v jednotce objemu roztoku - cm = m/V (m - hmotnost složky A; V - objem roztoku) - Pozn.: někdy se označuje jako óc - Běžně používané jednotky: g/l = mg/ml nebo g.ľ1 = mg.mľ1 mg/l = |jg/ml = ng/|jl |jg/l = ng/ml = pg/|jl ng/l = pg/ml 23 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Vyjádření obsahu složky ve směsi - Molární (látková) koncentrace: množství látky (složky) v molech rozpuštěné v jednotce objemu roztoku c = n/V (m - látkové množství složky A; V - objem roztoku) - Běžně používané jednotky: mol/l, mmol/l, |jmol/l nebo zkráceně M, mM, |jM -Celková látková koncentrace: cHCI = 0,02 M roztok HCI (= látkové množství HCI přítomného ve všech formách) - Rovnovážná látková koncentrace nedisociovaných molekul: [HCI] v tomto roztoku = 0 (= látkové množství ve formě HCI) - silná kyselina je ve svém zředěném roztoku zcela disociovaná) 24 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Vyjádření obsahu složky ve směsi - látková koncentrace 250 ml roztoku o c = 0,2 mol. dm -3 tolik vody, aby byl objem roztoku 250 ml 0,05 mol rozpuštěné látky 25 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Chemická rovnováha -Je takový stav soustavy, v němž se z makroskopického hlediska nemění její složení, i když v ní neustále probíhají chemické děje 26 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Chemická rovnováha - Faktory ovlivňující posun chemické rovnováhy -Vnější vlivy (změnou koncentrace, tlaku, teploty nebo objemu vychýlíme systém z rovnováhy) -Systém na vychýlení zareaguje a ustaví si novou rovnováhu - Le Chatelierův princip popsali nezávisle na sobě německý fyzik Karl Ferdinand Braun a francouzský fyzik Henri Louis Le Chatelier 27 Analytická chemie. 1. část. Akce Reakce přidání reaktantů zvýšení koncentrace produktů přidání produktů zvýšení koncentrace reaktantů snížení tlaku zvýšení kocentrace ve směru většího počtu molů látek zvýšení tlaku zvýšení koncentrace ve směru menšího počtu molů látek snížení teploty zvýšení koncentrace látek ve směru exotermické reakce zvýšení teploty zvýšení koncentrace látek ve směru endotermické reakce M U N I P E D Chemická rovnováha - Chování iontů závisející na množství iontů popisuje aktivita 0. = jt Cj Yi .....aktivitní koeficient c{......koncentrace y< 1 o,5k2V7 Výpočet aktivitního koeficientu z Debye-Húckelova vztahu: - log(x) = i+V7 28 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Chemická rovnováha cxzx +c2z\ + -q - koncentrace daného iontu - Zj - náboj daného iontu -Je funkcí koncentrace (molární) a náboje iontů - Protože iontová síla biologicky významných roztoků je relativně vysoká, je ji nutno brát v úvahu při všech výpočtech, kde se vyskytuje aktivita iontů a nespoléhat se na oblíbené konstatování, že „koncentrace látek v roztoku je nízká a místo aktivit můžeme použít koncentrace" 29 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Chyby měření v analytické chemii X*® 30 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Důležité pojmy -Chybné výsledky vedou k závažným osobním nebo celospolečenským následkům! - Každé měření je zdrojem chyb -► nejistota výsledků měření (špatně provedená kalibrace, standardizace, ...) - chyby náhodné -Chyba v analytické chemii = rozdíl mezi naměřenou a skutečnou (pravou) nebo vztažnou hodnotou -HRUBÉ CHYBY - Falešně pozitivní výsledek: výsledek testu nesprávně ukazující pozitivní či abnormální hodnotu, i když ve skutečnosti není přítomen abnormální stav nebo onemocnění - Falešně negativní výsledek: výsledek testu nesprávně ukazující normální či negativní hodnotu, i když je ve skutečnosti přítomen abnormální stav nebo onemocnění 31 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Parametry COVID testu 10,000 people tested 300 Have had COVID19 93.8% 6.2% 281 True positive 19 False negative 9,700 Have not had COVID19 4.4% 95.6% 427 False positive 9,273 True negative 32 Analytická chemie. 1. část. Proportion of correct positives: 281/(281+427)« 40% By Kit Yates, author of The Maths of Life and Death MUNI P E D Vliv chyb na analytické výsledky - odhad střední hodnoty - Př. 1: Výsledky 6x opakovaného stanovení železa (vodny roztok standardu obsahující 20,0 mg dm3 železitých iontů - Rozsah výsledků: 19,4 mg dm3 až 20,3 mg dm3 -Průměrná hodnota je 19,78 mg dnrr3~ 19,8 mg dm-3; medián je 19,7mg dm-3 19,2 19,6 20,0 obsah Fe3+/mg dm-3 20,4 M U l\l I P E D 33 Analytická chemie. 1. část. Důležité pojmy - průměr a medián - Medián x - pro odhad střední hodnoty nepříliš početného souboru dat opakování experimentu (méně než 7 nebo 10) považován za robustnější než aritmetický průměr - Naměřená data poskytují vždy pouze odhad „skutečné" hodnoty - Nejistota výsledků měření = interval okolo výsledku měření, o kterém se důvodně domníváme, že s určitou pravděpodobností (např. 95 %) obsahuje skutečnou hodnotu - Replikáty = opakovaná stanovení v přibližně stejných alikvotech téhož vzorku prováděna přesně stejným postupem 34 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Jak posuzovat spolehlivost dat s absolutní jistotou? -Analýza kontrolních vzorků známého složení a porovnání výsledků se známými obsahy složek - Pravidelné a časté kalibrovaní používaných měřidel obvykle zvyšuje kvalitu výsledků - Statistické testy VALIDACE ověření platnosti zvoleného analytického postupu (metody) 35 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Aritmetický průměr a medián -Aritmeticky průměr x 1 n i=l - Medián = prostřední hodnota souboru výsledků replikátů seřazených sestupně nebo vzestupně podle velikosti - Lichý počet = prostřední hodnota podle velikosti seřazeného souboru výsledků; - Sudý počet výsledků = průměr prostředních 2 hodnot 36 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Důležité pojmy - průměr a medián - Př. Vypočítejte průměr a medián pro výsledky měření - 19,4++19,5 + 19,6+19,7+19,8+20,1+20,3 ,n,fl a r\ a -i X = —-:-:—y-:-:-- = 1978 ~ 19,8 mg dm3 Fe3+ 19,6 + 19,8 a r\ ~7 . q r- 1+ x = —-- = = 197 mg dm3 Fe3+ 37 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Jak interpretovat výsledky studií? Preciznost - Vzájemná těsnost shody výsledků měření stejného vzorku získaných přesně stejným postupem -► OPAKOVATELNOST REPRODUKOVATELNOST Směrodatná odchylka (SD, často RSD), rozptyl (s2), rozpětí (R) a variační koeficient (CV coefficient of variation) d i = xt - x nebo dx = Xi - x 38 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Jak interpretovat výsledky studií? Přesnost - Blízkost výsledku měření ke skutečné nebo vztažné hodnotě - Je vyjádřena chybou -► absolutní chyba -► relativní chyba 39 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Jak interpretovat výsledky studií? Přesnost Preciznost (šipkové terče) IUI U M I 40 Analytická chemie i část. vysoká přesnost, nízká preciznost vysoká přesnost, vysoká preciznost Absolutní x relativní chyba -Absolutní chyba E (error) při měření veličiny x E jCj jc^ Xj ... výsledky jednotlivých experimentů xt (true) ... vztažná hodnota měřené veličiny Př. 1: E = - 0,2 mg dm3 (od vztažné hodnota 20,0 mg dm3) Výsledek o hodnotě 20,1 mg dm-3 je vychýlen o +0,1 mg dm-3 NUTNO ZACHOVÁVAT ZNAMÉNKO! (záporné znaménko značí, že výsledek experimentu je nižší než vztažná hodnota, plusového znaménka naopak) 41 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Absolutní x relativní chyba - Relativní chyba Er- vyjadřována nejčastěji v procentech ^ M r- 19,8-20,0 u r,r, nl Pr.1:Er = —--= -0,100 = -1,00% r 20,0 42 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Druhy chyb v experimentálních datech (výsledcích) - Preciznost je leckdy snazší, než přesnost, protože ke stanovení přesnosti musíme znát skutečnou hodnotu, která je obvykle tím, co při analýze hledáme. -Výsledky mohou být precizní, aniž by byly přesné. -Výsledky mohou být přesné, aniž by byly precizní. 43 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Druhy chyb v experimentálních datech: absolutní chyba při stanovení dusíku (xi-x<)-_ ll analytik 1 hydrochlorid 1 benzylisoíhio-| močoviny • • j analytik 2 hydrochlorid benzylisothio-| £ močoviny analytik 3 nikotinová kyselina • • 1 • • (x4 ~ xt) 9 • i analytik 4 nikotinová kyselina 1 44 Analytická chemie. 1. část. absolutní chyba, Qč,-xt)/% 0,5 tečky absolutní chyby výsledků replikátů získaných 4 analytickými chemiky x-x absolútni průměrná odchylka souboru výsledků i-tého analytika od skutečné hodnoty 1,0 M U N I P E D Druhy chyb v experimentálních datech (výsledcích) - Náhodná chyba - data jsou více nebo méně rozptýlena okolo střední hodnoty - odráží se v preciznosti měření - Systematická chyba - střední hodnota souboru výsledku se liší od skutečné (vztažné) hodnoty -výsledky měření replikátů, jsou buď všechny příliš nízké, nebo příliš vysoké - Hrubá chyba - pouze příležitostně - výsledek bude buď vysoký, nebo nízký - vedou k odlehlým výsledkům 45 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Systematické chyby - Vedou k vychýlení (biaš) výsledků měření - Instrumentální chyby (zdrojem měřící zařízení) - pomáhá kalibrace -Chyby metody nebo postupu analýzy (neideální chemické nebo fyzikální chování reagencií) -Chyby ve vlastní metodě lze často odhalit jen obtížně - nejzávažnějším druhem chyb - Lidské chyby (předpojatost, nedokonalost) - Konstantní (neměnné) systematické chyby Úměrné systematické chyby (proporcionální, závislé na velikosti hodnoty) 46 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Příklad k řešení - Opakovaným stanovením olova ve vzorku byly získány tyto výsledky (v mg dm-3): 0,752; 0,756; 0,752; 0,751; 0,760. Vypočítejte průměr a odhad směrodatné odchylky tohoto souboru výsledků. Vzorek Xj Xi 1 0,752 0,565 504 2 0,756 0,571 536 3 0,752 0,565 504 4 0,751 0,564 001 5 0,760 0,577 600 EXi=3,771 Ex? = 2,844 145 47 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Příklad k řešení x = —L N průměr 3,771 = 0,754 2 = 0,754 mg dm"3 (IX;)2 _ (3,771)2 N 5 14,220 441 = 2,844 088 2 R = 0,760 - 0,751 = 0,009 mg dm"3 rozpětí S = N -1 S = 2,844 145 - 2,844 088 2 5-1 S2 = (0,003 8)2 = 1,4- 10"5 rozptyl S = 0'0000568 = 0,003 77 = 0,004 mg dm"3 4 odhad směrodatné odchylky 48 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Příklad -Pacientům trpícím cukrovkou se musí denně sledovat hladina glukosy v krvi. V různých měsících byly u pacienta s mírně zvýšenou hladinou glukosy stanoveny koncentrace glukosy. Pacient byl převeden na stravu s nízkým obsahem cukru, aby se jeho hladina glukosy snížila. Při sledování účinnosti diety byly naměřené hladiny glukosy v krvi uvedené v tabulce. Z nich vypočítejte odhad směrodatné odchylky dané metody sdružováním výsledků všech 24 měření. +X(**-*3) +••• i=l j=\_ _k=[ sdruž 49 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D „, , , , Průměrný obsah Obsah glukosy , . Měsíc * glukosy Součet druhých mocnin odchylek Směrodatná odchylka výběru mg dm mg dm 3 od průměru mg drn"3 1 1 108; 1 122; 1 075; 1 099; 1 115; 1 083; 1 100 1 100,3 1 687,43 16,8 2 992; 975; 1 022; 1 001; 991 996,2 1 182,80 17,2 3 788; 805; 779; 822; 800 798,8 1 086,80 16,5 4 799; 745; 750; 774; 777; 800; 758 . 771,9 2 950,86 22,2 součet druhých mocnin odchylek = 6 907,89 Řešení: Pro první měsíc byl součet druhých mocnin odchylek od průměru počítán takto: (1 108 - 1 100,3)2 + (1 122 - 1 100,3)2 + (1 075 - 1 100,3)2 + + (1 099 - 1 100,3)2 + (1 115 - 1 100,3)2 + + (1 083 - 1 100,3)2 + (1 100 - 1 100,3)2 « 1 687,43 Ostatní součty čtverců byly získány podobně. Odhad směrodatné odchylky metody je potom 50 Analytická chemie. 1. část. rími ^24-4 P E D ROVNOVÁHY V ROZTOCÍCH M U N I 51 A"*"—P E D Klasifikace roztoků elektrolytů - Elektrolyty = látky, které po rozpuštění ve vodě (nebo v některém jiném rozpouštědle) tvoří ionty —► vznikl roztok schopen vést elektrický proud - Silné elektrolyty - úplně disociovaný (H2S04, KOH, NaCI) - Slabé elektrolyty - nepovede elektrický proud tak dobře jako roztok obsahující stejnou koncentraci silného elektrolytu (organické kyseliny a zásady, NH3,H20) 52 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Klasifikace roztoků elektrolytů silné elektrolyty Slsibr elckliolyíy anorganicko kyseliny: včtšina anorganických kyselin, včetné H2C03, HN03, HCÍO.,, !I2S04*\ HCI, III, llllr, II3BO3, M3PO4, H:,S, H2S03 HC103l HBr03 organické kyseliny hydroxidy alkalických kovu a kovů amoniak a většina organických zásad alkalických zemin halogenicly, kyanidy a Ihiokyanatany vetSina solí rtuťnatc, kademnatč, zinečnate 53 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Svante August Arrhenius Acidobazické rovnováhy -Teorie kyselin a zásad - Arrheniova teorie (1887): Kyseliny Disociace ve vodném prostředí HK ^ H+ + K- Zásady Disociace ve vodném prostředí BOH ^ B+ + OH- HCI -> H+ + Cl" H2S04 ^ 2 H+ + S042" KOH ^ K+ + OH" Ca(OH)2 Ca2++2 0H 54 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Acidobazické rovnováhy - Neutralizace -Zásady uvolňují OH", kyseliny H+ (ve vodě vzniká H30+) - HCI + KOH -» H20 + KCI - NaOH + HN03 -> H20 + NaN03 55 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Acidobazické rovnováhy - Teorie kyselin a zásad - Br0nsted - Lowry teorie: (1923) - Kyselina - částice odštěpující proton - Zásada - částice vázající proton HN03 H+ + N03 NH3 + H+ NH4+ kyselina1 zásada1 + proton zásada2 + proton ^= kyselina2 K1 Z2 H|CI + H20 l_ K2 Z1 HsO+ + Cl- _I H20 + NH3^0H" + NH4 Konjugované páry = donor + akceptor 56 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Acidobazické rovnováhy - Amf i protni částice - Částice vykazující kyselé i zásadité chování - H2P0J + H30+ H3PO4 + H20 -H2PO; + OH -> HPOj- + HoO H9N' .OH O H-^C—C H—C NH H.C- O CH—C I + x NH, OH on- H,C—CH—C ó I NH, O o - Důležitou skupinou jednoduché aminokyseliny (2 funkční skupiny) -► AMFOLYTY NH0CH0COOH 5=* NHÍCHoCOO R'COOH + R"NH9 ^ FľCOO + R"NHÍ amfion (zwitterion) - vzniká ionizací amfiprotní látky (amfolytu) 57 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Acidobazické rovnováhy - Amfiprotní rozpouštědla -V závislosti na rozpuštěné látce může vystupovat jako kyselina nebo jako zásada -Voda, methanol, ethanol, bezvodá kyselina octová -NH3 + CH3OH ? -CH3OH + HN02 ? 58 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Acidobazické rovnováhy - Autoprotolyza (autoionizace) vody H20 + H20 ^ OH" + H30+ K1 Z2 Z1 K2 Kv = [H30+]*[OIT] = [10 7]-[107] = [107]2 = 1014 _ i ' KONJUGOVANÉ PÁRY Koncentrace obou iontů je při teplotě 25 °C a tlaku 100 kPa 10-7 mol dm3 59 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Acidobazické rovnováhy - Síla kyselin a zásad n. ,.,!,,< | .1 I ■/•.'•Iimíi ■PWWWWIII I III II ni ikk), I IICI + II20 H,PO< i ll/> 11,0' i no,, n./)1 i Clil,o1 i ii,i*o, 1 nejulabií zfliada | ———— nej*lab<( kynclími — |AlíM/)jř,r i ll/>. -II,O1 I |AK)IKII,()).,Í" CHjCOOH + H20; ff2POj + H20 ; Nli; + M2O^H30++NH3 ii/)1 II.O' i en,roo ncJillnCjií zéiada | Diferencující (bezvodá kyselina octová ) a nivelizující rozpouštědlo (voda) 60 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Gilbert Newton Lewis Acidobazické rovnováhy - Teorie kyselin a zásad - Lewisova teorie (1938): - Kyselina = látka s volným valenčním orbitalem (elektrofil) - Zásada = látka s volnými valenčními elektrony (nukleofil) - Při obecném pojetí acidobazicity - vznik koordinačně-kovalentní vazby -► reakce Lewisovy kyseliny (centrální atom) s Lewisovou bází (ligand) -b; 0 2S. ( H H B H H I H-NI I H F I B-F ICH + 61 Analytická chemie. 1. část. Cl I A|-Cl Cl H F l+ I-H-N-B-F I I H F Cl I _ Cl-Al-Cl I Cl báze + kyselina = produkt donor - akceptor nukleofil + elektrofil báze - kyselina = produkt donor + akceptor nukleofil - elektrofil M U l\l I P E D Acidobazické rovnováhy - Teorie kyselin a zásad Pearsonův koncept kyselin a zásad = „nard and soft (Lewis) acids and bases" (1963) Vysvětlení stability chemických sloučenin, rozpustnosti nebo reakčních mechanismů „Tvrdý" = částice je malá, má vysoký náboj a je slabě polarizovatelná "Měkký" = částice má velký poloměr, malý náboj a velkou polarizaci ■ □ ■ hard intermediate soft N O F ■ Sb Te I Li Be Na Mg K C3 Rb Sr Sc Ti V Y Zr Nb ■ hard c, □ ■ intermediate 30~": Al Si Mn Fe RU Co Rh Ni Pd Cu Ag Zn Ga Ge As Cd In Sn Sb Mo Tc Cs Ba Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg TI Pb Bi S Cl s Se Br 62 Analytická chemie. 1. část. MUNI P E D Acidobazická rovnováha Rozpouštědla dle afinity k protonům: Amfiprotní (protická) - vyrovnaná (H20), protofilní (amoniak, aminy), protogenní (kyselina octová) Aprotogenní - pyridin, ethery Aprotická (inertní) - benzen, hexan 63 Analytická chemie. 1. část. M U fl I P E D Disociační konstanta a autoprotolýza vody 2 H20 ?± H30+ + OH K[H20]2 = Kw = [H30+] [OH"] _ [H30+] [OHI * [H20]2 iontový součin vody (ion-product constant for water) Kw = 1,008 ■ 10-14 (25 °C) Umožňuje snadné výpočty koncentrací hydroxoniového kationtu a hydroxidového aniontu ve vodných roztocích 64 Analytická chemie. 1. část. Teplota / °C Kw 0 0,144 • 10~14 25 1,01 ■ 10"14 50 5,47 • 10~14 75 19,9 • 10-'4 100 49 ■ 10 14 M U N I P E D Druhy rovnovážných konstant v analytické chemie Druh rovnováhy Název a symbol rovnovážné konstanty Typický příklad Vyjádření rovnovážné konstanty disociace vody (autoprotolýza) iontový součin vody atw 2 H20 í± H30+ + OH" Kw - [H30+][OH-] heterogenní rovnováha mezi málo rozpustnou látkou a jejími ionty v nasyceném roztoku součin rozpustnosti Ks BaS04(s) ?± Ba2+ + SO2." Ks - [Ba2+][SOn disociace slabé kyseliny nebo zásady disociační konstanta A"a nebo Kb CH3COOH + H20 ?± ^± CH3COO- + H30+ CH3COO- + H20 — ^ CH3COOH + OrT [H,0+][CH3COO-] [CH3COOH] _[OH~][CH3COOH] [CH3COO-] vznik komplexního iontu konstanta stability /?,, Ni2+ + 4 ON" 5± [Ni(CN)4]2- _[[Ni(CN)4]2"] 4 [Ni2+][CN~]4 oxidačně-redukční rovnováha ^redox MnOí + 5 Fe2+ + ^ Mn2+ + 5 Fe3+ + 4 H20 v _ [Mn2+][Fe3+l5 rcd0x [MnO;][Fe2+]5[H+]8 distribuce látky mezi dvě nemísitelná rozpouštědla rozdělovači koeficient Ká I2(aq) I2(org) 65 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Distribuční diagramy 66 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Příklad -Smícháme-li 10 ml 0,5 M HCI, 15 ml 0,2 M H2S04 a konečně 11 ml 1 M NaOH, bude tento roztok alkalický, nebo kyselý? Svou odpověď zdůvodněte. Objemové kontrakce zanedbejte. -[H+: 11 mmol; OH-: 11 mmol, roztok bude neutrální] 67 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Komplexotvorné rovnováhy - Komplexní (koordinační) sloučenina -Centrální atom - Ligand - Koordinační vazba - Cheláty - Komplexy labilní a inertní - na základě kinetiky děje - Rychlá reakce (rovnováha se ustanovuje rychle) pomalá reakce - Stabilní komplexy - na základě termodynamiky (obtížně se rozkládá, může vznikat rychle i pomalu) - Jednojaderné a vícejaderné komplexy M U l\l I 68 Analytická chemie. 1. část. _ ,_ Komplexotvorné rovnováhy Analytická chemie. 1. část. Komplexotvorné rovnováhy - Reaktivita centrálního atomu (vliv elektronového uspořádání, elektrostatických parametrů a elektronegativity) - Reaktivita ligandu (struktura ligandu, charakter donorového atomu aj.) -Jaký má být komplex z analytického hlediska? -Z analytického hlediska je důležité, aby komplex byl stabilní a labilní. 70 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Komplexotvorné rovnováhy -Obecně m M + nl_ <—* MmLn -Stupňovitá tvorba komplexu - M + L ^ ML...... -ML+L^=M\/IU.....Ko _ M + 2L^ ML2 ......p = Kj ■ K2 P-[M][LF o [Mu] -Obecně: MLn_1 + L ^ MLn .... Kn pn= [|\/|][[_]n Konstanta stability 71 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Komplexotvorné rovnováhy -Tvorba dalších (vedlejších) rovnováh -Vedlejší rovnováhy kationtu (vznik komplexů s aniontem pufru, hydrolýza kationtu, maskující činidla, ...) -Vedlejší reakce ligandu (uplatnění protolytických rovnováh ...) podmíněná konstanta stability [M'] = [M] +[MX] [Ľ] = [L] + [HL] o _ [Ml J Pň " [M'][L']n 72 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Příklady využití komplexotvorných rovnovah v ACH 1. Kvalitativní analýza: důkazy kovů (reakce centrálního atomu s ligandem za vzniku komplexu), maskování 2. Kvantitativní analýza: titrace (např. chelatometrie) 73 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Rovnováhy za vzniku sraženin - Srážení = vylučování málo rozpustné látky (sraženiny) přídavkem srážecího činidla - Mechanismumus - podvojná záměna (kombinace iontů —► málo rozpustný produkt) - Využití: kvalitativní analýza, odměrná analýza (argentometrie), vážková analýza - k důkazu či stanovení složky ve formě sraženiny - Oddělování směsí složek analyzované směsi před jejich důkazem (od matrice) - Koprecipitace (spolusrážení) -Turbidimetrie a nefelometrie - Při srážení sledujeme dokonalost vyloučení analytu z roztoku a další vlastnosti sraženiny 74 Analytická chemie. 1. část. Charakteristické zbarvení sraženin M U N I P E D Rovnováhy za vzniku sraženin schéma srážení Solution Suspension 75 Analytická chemie. 1. část. Supemate • • • • ♦ Precipitate MUNI P E D Rovnováhy za vzniku sraženin AgNO. zárodečná zrna l růst stabilní koloidní Částice <—----------- koloidní částice (10"7-2. 10-5 cm) / / / I růst koagulace/ / / peptizace / / amorfní sraženina / stárnutí masivní krystaly (hydroxidy, sulfidy —.....-----------( > 10"3 cm) kovů, > 10-5 cm) (BaS04 - jemné, PbCl2 - hrubé) I I l M U l\l I P E D Zleva sraženiny: Agl, AgBr a AgCI 78 Analytická chemie. 1. část. Vznik sraženiny BaS04 m u n i P E D Mechanismus vzniku sraženin - nukleace - První stadium -Vznik krystal izačních (zárodečných) center jádra sraženin, tzv. nuklea -Velikost částici O"7 do 10"5 - Homogenní (překročení kritického stupně přesycení) x heterogenní -Vliv přesycení a rychlosti srážení na velikosti částic sraženiny - Cílená (očkovaná) - Nechtěná (míchadlo, stěny krystalizátoru, aj.) Kriticky stupeň přesycení = poměr součinů aktivit reagujících iontů v okamžiku počátku tvorby tuhé fáze k součinu rozpustnosti sraženiny 79 Analytická chemie. 1. část. SľSŽGľliľlS Fe(OH)3 Mechanismus vzniku sraženin - růst - Připojování dalších částic ke vzniklému zárodku-► vznik krystalické nebo amorfní sraženiny - Ion musí ztratit část své kinetické energie a adsorbovat se na povrchu částice sraženiny Sraženina PbS m u n i .o _,m,,M, p E D Mechanismus vzniku sraženin - zrání sraženin -Změny sraženiny, která je v kontaktu s matečným roztokem - Postupně se mění řada vlastností, jako struktura, stechiometrické složení a rozpustnost (rekrystalizace, přeměna malých a nedokonalých částic na velké, přeměna metastabilních modifikací na stabilní, dehydratace, polymerace, ...) - Může trvat několik minut, ale také několik let - Pro analytické účely jsou žádoucí sraženiny krystalické 81 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Znečištění sraženin - Během srážení (spolusrážení neboli koprecipitace) -Dodatečné (indukované) srážení -Spolusrážení -Tvorba směsných krystalů -Adsorpce -Okluze - Inkluze 82 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Znečištění sraženin - tvorba směsných krystalů Původní částice částečně nahrazeny jinými složkami (izomorfie) U iontových sloučenin - stejný poměr velikosti náboje k poloměru iontu Vzájemné zastupování iontů v krystalové mřížce Izomorfní sloučeniny BaS04 - PbS04 0 4- S) - 4-- + 0 + + - mozaika 83 Analytická chemie. 1. část. Zn[Hg(SCN)4]-bílý v přítomnosti Co - Co vstupuje na místo Zn - směsné krystaly Zn.Co[Hg(SCN)4] - modré - ostríivky jednotlivých složek (sloučenin lišících se nábojem iontů) BaS04 - KMn04 BaS04 - KC104 M U l\l I P E D Znečištění sraženin - adsorpce -Zachycení nečistot na povrchu částic sraženiny -Větší znečištění u sraženin s větším povrchem -Van der Waalsovy síly - Povrch adsorbentu - tvorba monomolekulární vrstvy adsorbátu - Freundlichova adsorpční izoterma . - Promývání a zrání sraženin x = K ■ c1/n (T = konst.) 0 1 0 0 0 hmotnost eor-bovane" nečistoty na 1 gram araženiny Množství adsorbovaní nečistoty poetupnS klesá Cb rostoucí koncentrací nečistoty v roztoku se rychleji nasytí povrch sra- 84 Analytická chemie. 1. část. —*■ c(mol/l) nečistoty v roztoku M U N I P E D Znečištění sraženin - okluze a inkluze -Okluze - Mechanické strhávání cizích iontů na povrch částice a jejich překrytí další vrstvou tuhé fáze -- -Značná při rychlém srážení nadbytkem činidla ZZZ~~ -Zrání sraženiny, opakovaným srážením í m - - Inkluze - Mechanické uzavírání matečného roztoku do dutin v krystalech při rychlém srážení z koncentrovaných roztoků _ - Přesrážením ze zředěnějších roztoků "II -i® matečný louh M U N I P E D 85 Analytická chemie. 1. část. Znečištění sraženin - dodatečné srážení - Ponechání vyloučené sraženiny v matečném roztoku - po určité době vyloučení další málo rozpustné látky - Adsorpce iontů srážedla na povrchu sedliny způsobuje vznik oblasti silného přesycení - Př. dodatečné srážení ZnS do HgS v kyselém prostředí -Okamžité odfiltrování sraženiny 86 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Znečištění sraženin -Jaktomu zabránit? -Zmenšením povrchu sraženin -Volbou vhodného srážedla - Regulací pH - Maskováním cizích iontů - Opakovaným srážením 87 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Srážecí rovnováhy Obecně {MmA„)s = m M"+ + n A"'" Rovnováhu charakterizuje termodynamická rovnovážná konstanta (v _ a (M' ) ■ a (A ) a(MmAn) která se zjednoduší za předpokladu jednotkové aktivity tuhé fáze na (*s)teim = am(M'í+) ■ an(Am-) jako termodynamický součin rozpustnosti látky MfflAří pro určitou teplotu v nasyceném roztoku, který je v rovnováze s pevnou fázL M U N I 88 A"*"—Msl P E D Srážecí rovnováhy - Pro velmi nízké koncentrace lze aktivity nahradit koncentracemi (Ks)c = [M"T • [A'""]" - (Ks)c = koncentrační nebo stechiometrický součin rozpustnosti látky MmAn pro určitou teplotu a iontovou sílu I roztoku a) je4i (£s), > [Mf ■ [A]" b) je-li (Ks)c < [Mf ■ [Af: — (Ks)c=[MT ■ [Af - Čím menší hodnota Ks (tedy čím vyšší hodnota pKs), tím je sraženina méně rozpustná - V tabulkách bývá spíše často uváděn logaritmický tvar pKs (výpočet molární rozpustnosti) 89 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Rozpustnost sraženin Udává koncentraci rozpuštěné látky za vzniku nasyceného roztoku (pro danou látku v daném rozpouštědle) Molární rozpustnost c látky IV^A^fpočet molů rozpuštěných v 1 litru roztoku) [M] = m ■ c a [A] = n ■ c Dosazením do součinu rozpustnosti (Ks)c = [Mf * [A]" = (m • cf * (n • cf = mm ■ n" - cm+n í (K„)c a molární rozpustnost látky MmA„; C — m+ř Irr „ V m • n M U N I P E D 90 Analytická chemie. 1. část. Součiny rozpustnosti vybraných málo rozpustných sloučenin 91 Analytická chemie. 1. část. Sloučenina Součin rozpustnosti (pKg) AgCl 9,75 AeBr 11,31 Agl 16,08 Al{OH)3 32,43 BaC03 8,29 BaS04 9,96 CaC03 8,35 CaS04 5,04 CdS 26,1 Fe(OH)3 39,43 FeS 17.2 HgS 51,8 Pbl. _ 8,15 PbS 26,6 PbS04 7,82 13 M U N I P E D Rozpustnost sraženin a její ovlivňování -Vliv iontové síly -Vliv nadbytku vlastních iontů - snížení koncentrace druhého iontu -Vliv vedlejších rovnovah (podmíněny součin rozpustnosti) -Vedlejší rovnováhy kationtu (protolytické, komplexotvorné rovnováhy) - Maskování -Vedlejší rovnováhy aniontu 92 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Rozpustnost sraženin a její ovlivňování -V roztoku v rovnováze ionty Mn+ a Xm - Množství iontů Xm a Mn+ nutné pro vysrážení n+ I ~K~S -Srážení roztoků halogenidů dusičnanem stříbrným Ks(AgCl) = l,8.1010 [Ag+]AgCi=l,34.10-5 nejvíce rozpustný vylučuje se poslední Ks(AgBr) = 4,9.1012 [Ag*]^ 2,21.10 6 Ks(Agl| = 8,3.10-17 [Ag+]Ag,= 9,1.10-9 nejméně rozpustný vylučuje se první všechen AgN03 se spotřebuje na AgCl všechen AgNO^ se spotřebuje no AgBr všechen AgN03 se spotřebuje na Agl Analytická chemie. 1. část. Příklady využití srážecích rovnováh v ACH -Vzájemná separace složek systému - Důkaz přítomnosti složek ve vzorku -Vážkové stanovení analytu - Odměrné stanovení srážené látky - Příklady sraženin využívaných v ACH - Sraženiny halogenidů - Ag+, Pb2+ - Sraženiny sulfidů - Cu2+- Cd2+Hg2+- Ni2+- Fe3+ - Sraženiny uhličitanů - Ca2+' Sr2+- Ba2+ Sraženiny hydroxidů - AI3* Fe3+ Sraženina berlínské modři - důkaz Fe3+ - Sraženina šťavelanu - stanovení Ca2+ - Sraženina síranu - stanovení Ba2+> Sr2+ - Sraženina s dimethylglyoximem - důkaz Ni2+ 94 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D S2 (Fe(CN)J^ [Fe(CNU*- OH 1" í š i - 3 i Zn-- ^ I 1 ni m tni Redoxní rovnováhy -Založeny na přenosu elektronů -Oxidace a redukce - Oxidační činidlo ox{ + ne~ <=> redx - Redukční činidlo red2 — ne~ <=> ox1 oxidovaná forma (Ox) + :e (redukce) (snížení oxidačního čísla) - z e" (oxidace) M-•-■- (zvýšení oxidačního čísla) redukovaná forma (Red) Redoxní reakce mohou probíhat pouze v systémech, kde je přítomno jak oxidační, tak i redukční činidlo n2OX1 + A?1red2 ^nJRED^ + n1ox2 OX1 + /r,e RED1 ox2 + n2e th ni aREDi aox2 nt ni adx1ar0d2 96 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Předpoklady znalostí z fyzikální chemie ... 1. Co je vodič? 2. Co je elektroda? 3. Co je galvanický článek? 4. Co je elektrodový potenciál? 5. Co je standardní elektrodový potenciál? 6. Co je vodivost elektrolytů? 7. Co je elektrolýza? 97 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Vodiče - Látky schopné vést el. proud - Rozdělení dle způsobu vedení proudu: -Vodiče I. řádu (elektronové vodiče): AI, Cu, grafit -Vodiče II. řádu (iontové vodiče): roztoky a taveniny Vodiče 1. řádu Vodiče II. řádu vedení proudu usměrněný pohyb usměrněný pohyb Iontů volných el. průchodem proudu nemění se mění se el. odpor (T=konst.) konstantní funkce koncentrace M U N I 98 A"*"—P E D Elektrody -Vodič I. řádu přivádějící nebo odvádějící el. náboj do nebo z vodiče II. řádu - Polarita závisí na ději - Katoda-elektrony do soustavy přivádí a dochází na ní k redukci (oxidační číslo se snižuje) Ox2 + ze~ ^ Red2 -Anoda -elektrony ze soustavy odvádí a dochází na ni k oxidaci (ox. číslo se během děje zvyšuje) ~ , ^ _ ľ" I Zdroj Redi —> Oxi + z e ,'•11...M kjicxIj - Směr proudu je stanoven dohodou - (opačný než je směr toku elektronů) 99 Analytická chemie. 1. část. Clcktrolyrór M U N I P E D Elektrodový potenciál -Závisí na charakteru kovu, koncentraci iontů a teplotě Poločlánek 100 Analytická chemie. 1. část. Daniellův článek m u n i P E D Galvanické články - Dostaly svůj název podle italského lékaře a fyzika jménem Luigi Galvani l - Svaly již mrtvých žab se stahují po dotyku skalpelem - „živočišná elektřina" i -Jev později vysvětlen Alessandrem Voltou jako odráždění nervů ve svalech elektřinou, která vzniká v důsledku reakce kovového skalpelu s kovovou podložkou pracovní plochy. 101 Analytická chemie. 1. část. Luigi Galvani (1737-1789) M U N I P E D Zn-C (suchý) článek Odvozen inovací mokré varianty - Leclancheův článek (1886) - Georges Leclanché Plochá baterie 102 Analytická chemie. 1. část. Stavba suchého článku + Kovový kryt katody ■Obal (izolant) ■Zinková nádoba Elektrolyt- NH4CI salmiak Depolarizátor- Mn02 burel Uhlíková kladná elektroda - Zinková záporná elektroda Anoda (oxidační reakce) Zn + 2CI — ZnCL + 2e Katoda (red|ukční reakce) 2Mn02 + 2NH4CI + H20 + 2e- Mn203 + 2 NH4OH + 2 Cl- Monočlánek m u n i P E D Redoxní rovnováhy a oxidačně - redukční potenciál - Nernst-Petersova rovnice - redoxní potenciál E (V) - v příslušné redoxní polo reakci charakterizuje sílu oxidačních, redukčních činidel e = ev +-Jn^- = ek>--ln nF ared nF aoX - E° - standardní redoxní potenciál - R = 8,314 J/Kmol - univerzální plynová konstanta - F = 96 485 C/mol - Faradayova konstanta - T (298,15 K, 25 °C) - absolutní teplota 103 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Redoxní rovnováhy a oxidačně - redukční potenciál - Nernst-Petersova rovnice - Standardní stav: - Rozpustná látka - aktivita se rovná 1 - Rozpuštěný plyn - jeho parciální tlak nad roztokem je 101325 Pa - Nepatrně rozpustná pevná látka - její nasycený roztok Ef - formální redoxní potenciál 25°C 104 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Standardní vodíková elektroda Pt H2(pH2)|H+(aq) * ^H2(g) H [ Zl H+ + e E* = G Standardní podmínky (25 °C, 101, 325 kPa, a = 1 mol/l) Pt plíšek pokrytý ^jí Pt-čcrní 1,2 moldm"^ HC1 pH = 0 oO O |oo o IOo„ I Standardní elektrodový potenciál vodíkové elektrody je 0 V 105 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Standardní elektrodový potenciál Poloreakce E°,ry] H202 + 2H++2e<->2H20 +1,77 Ce4+ + e <-> Ce3+ +1,61 Mn04" + 8H+ + 5e <-> Mn2+ + 4H20 +1,51 Cr2072 + 14H++ 6e <-+2Cr3+ + 7H20 +1,33 Ag+ + e <-> Ag +0,799 Fe3+ + e <-> Fe2+ +0,771 l2 +2e <-> 21 +0,535 Cu2+ + 2e <-> Cu +0,337 2H++ 2e <-> H2 0,00 Fe2+ + 2e ^ Fe -0,440 Zn2+ + 2e <-> Zn -0,763 M U N I P E D Standardní elektrodový potenciál - Porovnání hodnot standardních redoxních potenciálu některých kovu 13 -3,5 Standardní redoxní potenciály některých kovů . Cu Na K Ba Sr Ca — u _ 107 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Standardní elektrodový potenciál - Beketovova řada reaktivity kovů (elektrochemická řada napětí kovů) s kysanou vodík ♦ sůl jvodni parou s* studenou vodou -► vodik ♦ řiydroild K Ba Ca Na ♦ ■>*->• • K Ba Ca Na Mg AI Mn Zn Cr Fe Cd 3^ 2* 2* 3* Mg AI Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb 2» n» 2» 2* Co Ni Sn Pb Cu Ag Hg Au Cu Ag Hg Au usl^htit* Fe + 2 HCI FeCI2 + H2 2 Na + 2 H20 2 NaOH + H2 CuO + H2 Cu + H20 Cu + 2 AgN03 2 Ag + Cu(N03)2 Cu° + 2 Ag+ 2 Ag° + Cu2+ Ag + Cu(N03)2 —► reakce neprobíhá Ag° + Cu2+ —► reakce neprobíhá redukční účinky 108 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Ovlivňování oxidačně redukčního potenciálu -Vliv iontové síly roztoku -Vliv acidity prostředí -Vliv tvorby komplexů -Vliv vzniku sraženin 109 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Analytické využití redoxních rovnováh - Kvalitativní ACH -Důkaz manganatých iontů: Mn2++ S2_(NH4OH) —> pleťově béžová sraženina MnS, rozp. ve zředěných kyselinách (skupinová reakce) - Kvantitativní ACH -Redoxní titrace (manganometrie, cerometrie, ...) - Potenciometrie Voltmetr MnCXr + 8 H+ + 5e~ Mn2+ + 4 H,0 110 Analytická chemie. 1. část. Mktodb 1 KMnO, M U N I P E D Fázové rovnováhy Separace látek ze směsi (viz separační metody) A) Extrakční rovnováhy B) Rovnováhy na měničích iontů Iontově výměnná chromatografie lonexy - katex, anex C+ + RK+ X+R- + K+ SlIM-s |>l lil l-II HI _ Kuličky polyineiu se záporně nnbityini mul.- umu skupinami Katex X- + R+Cľ <-> XR+ + Cl • SUjit rrlkavy kladny naboj O Crllurý kladny mlmj O Ollunry ziporny naboj 0 Sliny rrlkavý zapcniy nahsj 1 2 3 4 S 6 LehrvJnger Pn nctpks of Blocfwmísy, FimtEdit»n>C2uTJ8WH FreemMiand 111 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Extrakční rovnováhy Extrakce je separační metoda, při které přechází složka ze směsi látek v kapalné či tuhé fázi do jiné kapalné fáze -► rozdělování mezi dvě kapalné fáze, mezi kapalnou a pevnou fázi Kapalinová extrakce: složka přechází z původního rozpouštědla do nového rozpouštědla, nové a původní rozpouštědla se spolu nemísí (jsou zcela nemísitelná nebo omezeně mísitelná) -Vyluhování: do rozpouštědla se extrahuje pevná látky Phase 2 Phase 1 112 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Extrakční rovnováhy Extrakce (vyluhování): vytřepávání, perkolace, macerace, digesce Extrakt, rafinát vstupní roztok + rozpuštěná látka rozpouštědlo <^3> extrakt + rozpustená latka 1 ^ rafinát HA aq HA K D,HA ™ org -—rozdělovači (distribuční) konstanta [HA] aq Nernstův distribuční zákon 3 Analytická chemie. 1. část. Separace proteinů od DNA - fenol extrakce Homogenizace tkané v tekutém dusíku Příprava bunečného lyzátu v extrakčnim pufru Přidáni fenotfchloroformu Extrakce proteinů inkubacl s fenol/chloroformem C I Preciprtace DNA pomoci etanolu a octanu sodného Roztok DNA přečištěné od proteinu Separace proteinů centrrfugaci 114 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Soxhletův extraktor extrakce rostlinných barviv 115 Analytická chemie. 1. část. patrona Odvod studené vody Chladič Celulózová patrona Extrahovaný tuhý materiál Extrahovaný materiál - HP042" + H30+ HP042 + H20<-> P043' + H30+ [H,FOt] [HFOl-] 127 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Vyřešte 3. Vypočítejte následující příklad: a) Vypočtěte molární rozpustnost AgCI ve vodě, je-li hodnota součinu rozpustnosti při 25°C Ks(AgCI) = 1,8.1010; M(AgCI) = 143,32 g/mol. b) Vypočtěte součin rozpustnosti Ag3P04 (M = 418,58 g/mol), obsahuje-li 1 litr nasyceného roztoku 6,72.103 g této soli. 128 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Vyřešte -a) Chlorid stříbrný se rozpouští podle rovnice AqCI = Aq+ + Cl - Mezi součinem rozpustnosti a rozpustností AgCI platí: Ks(AgCI) = [Ag+][CI-] = c ■ c = c2 Pro molární rozpustnost AgCI můžeme psát: c(AgCI) = Jks = JTfl • 10-10= 1,34.105 mol/l Rozpustnost má hodnotu: m(AgCI) = 1,34.105 ■ 143,32; m(AgCI) = 1,92.103 g/l - b) Fosforečnan stříbrný se rozpouští podle rovnice Aq^PO^ = 3 Ag+ + P0\~ - Mezi součinem rozpustnosti a rozpustností platí: Ks(Ag3P04) = [Ag+]3[P043-] = (3c)3 ■ c = 27 c4 Koncentrace nasyceného roztoku Ag3P04 je 6,72.103 g/l, c = m/M = 6,72.103/418,58 = 1,6.105 mol/l -Součin rozpustnosti Ag3P04 je Ks(Ag3P04) = 27 ■ (1,6.10"5)4 = 1,8.10"18 129 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D Použitá literatura -Crouch S., Skoog D., Holler F., West M., Fundamentals of Analytical Chemistry. United States, 2013. 1072 s. -Záruba K. a kolektiv., Analytická chemie (l.díl). VŠCHT Praha, 2016. 224 s. - Holzbecher, Z. a Churáček J., Analytická chemie. 1. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1987. 663 s. -Zýka J., Analytická príručka. 4. upr. vyd. Praha: SNTL, Nakladatelství technické literatury, 1988. 831 s. - Klouda, P., Moderní analytické metody. 2. upr. a dopi. vyd. Ostrava 2003. 132 s. -Okáč A., Analytická chemie kvalitativní, Academia, Praha 1966. - Dostál V., Šimek J., Důkaz některých anorganických iontů vybranými analytickými reakcemi, Skripta UP Olomouc, 2. upr. a dopi. vyd. Olomouc 2000. 76 s. - Jančářová I., Jančář L., Analytická chemie. MZLU Brno, 2003, 195s. 130 Analytická chemie. 1. část. M U N I P E D