Chemia
Analityczna a
Analityka

Proces analityczny

Chemia Analityczna a
Analityka

(Analytical Chemistry – Analytical
Science)



Analiza Jakościowa (analityka składu)



Co?



Analiza Ilościowa (analityka składu)



Ile?

Chemia Analityczna a
Analityka

(Analytical Chemistry – Analytical
Science)



Analiza Strukturalna



Jaka struktura?



Określenie rozmieszczenia przestrzennego w skali atomowej (ustalenie budowy

cząsteczki, ciała stałego, cieczy)



Analiza Rozmieszczenia



Jakie jest rozmieszczenie przestrzenne w skali makro poszczególnych
składników próbki?



Analiza Procesowa



Gdzie i kiedy?



Określenie zmiany zawartości składników próbki w czasie (śledzenie przebiegu

zjawisk, reakcji i procesów chemicznych, kontrola procesów przemysłowych,

badanie procesów zachodzących w organizmach żywych lub w środowisku)



Analiza Specjacyjna



W jakiej postaci? Jaka jest postać chemiczna lub fizyczna?

Podstawowe Pojęcia



Próbka



Podzbiór populacji podlegający bezpośrednio badaniu ze względu na

daną cechę w celu wyciągnięcia wniosków o kształtowaniu się wartości

tej cechy w populacji;



Próbka reprezentatywna



Próbka, której struktura nie różni się istotnie pod względem badanej

cechy od struktury populacji generalnej;



Próbka laboratoryjna



Próbka przygotowana z próbki ogólnej, reprezentująca właściwości

partii produktu, przeznaczona do prowadzenia analiz;



Próbka analityczna



Część produktu wydzielona z próbki laboratoryjnej przeznaczona w

całości do jednego oznaczenia lub wykorzystania bezpośrednio do

badania lub obserwacji.

Podstawowe Pojęcia



Zasada pomiaru



Wykorzystanie określonych zjawisk fizykochemicznych w celu uzyskania informacji
analitycznych (kodowanie i dekodowanie);



Pomiar sygnału analitycznego;



Metoda analityczna



Określony sposób postępowania, od etapu przygotowania próbki do interpretacji wyników,
według którego wykonuje się oznaczenie jakościowe lub ilościowe (procedura analityczna);



Strategiczna koncepcja uzyskiwania optymalnych informacji o obiekcie badań przy założonej

zasadzie pomiaru;



Postępowanie analityczne



Ustala tok analizy we wszystkich szczegółach i obejmuje etapy od badanego obiektu do wyniku

analizy.

Ilustracja pojęć: zasada pomiaru,

metoda analityczna, postępowanie

analityczne

Opracowanie

wyników

Badany

obiekt

Pobieranie

Próbki

Przygotowanie

próbki

Pomiar

Informacje

analityczne

Postępowanie analityczne

Zasada

pomiaru

Metoda analityczna

Analityka w Przemyśle Materiałów
Budowlanych



Analizowane surowce i produkty w technologii materiałów

wiążących i budowlanych:



surowce: kamienie wapienne, dolomity, kruszywa, surowce

ilaste, popioły lotne, surowce siarczanowe, żużle, surowce do

produkcji materiałów ogniotrwałych (gliny, boksyt, kwarcyt)



półprodukty i produkty: klinkier, cementy, spoiwa żużlowe i

żużlowo-alkaliczne, gipsy, produkty odsiarczania, cegła

szamotowa, szkliwa do produkcji płytek ściennych



kontrola jakości wody stosowanej w procesie technologicznym



kontrola procesów spalania i składu gazów spalinowych



analityka środowiska - badanie wpływu działalności przemysłowej

na poziom skażenia środowiska naturalnego.

Analityka w Przemyśle Materiałów
Budowlanych



Cel i zakres badań:



Kontrola składu surowców i kontrola jakości produktów oraz nadzór i kontrola
przebiegu procesu technologicznego:



- analiza fazowa



- analiza rentgenowska, XRF



- analiza chemiczna -metody normowe obejmujące oznaczanie głównych składników (straty
prażenia, SiO

2

, CaO, MgO, Na

2

O, K

2

O, Fe

2

O

3

, Al

2

O

3

, TiO

2

oraz anionów: SO

3

, Cl

-

, S

2-

)



Badanie wpływu małych i śladowych ilości pierwiastków (głównie metali) na przebieg
procesów fizyko-chemicznych (np. procesy hydratacji, proces samorozpadu spieku
samorospadowego, itp)



Analiza zawartości metali śladowych (Pb, Cd, Zn, Cr, Mn, Tl, As, Be, Mo, Sb, Sn, V,
itp) w surowcach (np. kamień wapienny) i produktach przemysłu materiałów
budowlanych (cementy) otrzymywanych z zastosowaniem technologii
ekologicznych.



Badanie zawartości substancji toksycznych (metale ciężkie, chrom (VI), siarczki,
cyjanki) w wyciągach wodnych otrzymanych w wyniku ługowania cementu oraz
spoiw cementowych lub żużlowo-alkalicznych immobilizowanych metalami ciężkimi.

Analityka w Przemyśle Materiałów

Budowlanych (cd)



Badanie twardości wody stosowanej do celów

przemysłowych, kontrola wydajności demineralizacji wody

na jonitach, analiza wody



Analiza gazów, kontrola zawartości CO

2

, CO, NO

x

, SO

2

, H

2

S

w gazach spalinowych



Analityka środowiska - badanie wpływu działalności

przemysłowej na poziom skażenia środowiska naturalnego:



tereny sąsiadujące z obiektami przemysłowymi; gleby, hałdy,



wody*, ścieki,



powietrze



flora i fauna - biologiczne markery zanieczyszczeń (liście,

drzewa iglaste, owoce),

Etapy Postępowania Analitycznego



Pobieranie, transport, pomniejszanie i uśrednianie

próbek (Sampling);



Przygotowanie próbek do analizy



(

Sample Preparation and Sample Decomposition or

Digestion

):



Oznaczanie próbek w postaci ciał stałych;



Przeprowadzenie do roztworu w wyniku mineralizacji, rozpuszczenia lub

roztworzenia;



Usuwanie sygnałów maskujących (Separation, Preconcentration,

Masking):



Wstępne wydzielanie, rozdzielanie i zatężanie analitu;



Maskowanie (“rozdzielanie wewnętrzne”);



Pomiar (Measurement, Determination);



Metody bezwzględne (absolutne);



Metody porównawcze (względne), wzorcowanie;



krzywej kalibracji;



dodatku wzorca;



wzorca wewnętrznego;

Etapy Postępowania Analitycznego

(cd)



Interpretacja, opracowanie wyników i ich

statystyczna oszacowanie (Evaluation of results);



określenie powtarzalności wyników;



precyzji metody*



dokładności postępowania analitycznego;



czułości*;



granicy wykrywalności i oznaczalności*;



specyficzności i selektywności*



odporności na interferencje



Testowanie lub opracowanie nowej metody oraz jej

walidacja (Validation).

Chemometria (Chemometry).

Pobieranie próbek – strategia pobierania

h

1

h

2

h

3

h

4

h

1

: p

1

+ p

2

+ p

3

+...+p

n

=

P

1

h

2

: p

1

+ p

2

+ p

3

+...+p

n

=

P

2

.
h

4

: p

1

+ p

2

+ p

3

+...+p

n

=

P

3

p – próbki
jednostkowe
P – próbka ogólna

Próbka ogólna P

Rozdrabnianie, przesiewanie,

mieszanie

Zmniejszanie
masy,

ćwiartkowanie

Średnia próbka laboratoryjna

próbka

rozjemcza

Do

analizy

Dla

zleceniodawcy

Obiekt – próbka – próbka laboratoryjna

Udział Procesu Przygotowania Próbki w

Całkowitym Błędzie i Czasie Analizy

Źródła Błędów

Czas Wykonania Analizy

pobieranie i
przygotowa

nie próbki

60%

obróbka

danych

10%

pomiar i

kalibracja

30%

pobieranie i
przygotowa

nie próbki

67%

obróbka

danych

27%

pomiar

6%

Metody Badania Próbek
Stałych



Analiza fazowa:



Spektroskopia Ramana i w podczerwieni



Metoda dyfrakcji promieni rentgenowskich



Termiczna analiza różnicowa i termograwimetria



Metody analizy ilościowej względnie półilościowej



Spektrografia emisyjna (łuk, iskra, plazma, laser)



Metody oparte na widmach promieniowania rentgenowskiego*

(metoda fluorescencji rentgenowskiej, mikroanaliza

rentgenowska - mikrosonda elektronowa)



Detekcja przy pomocy spektrometru masowego



Metody aktywacyjne*



*Nieniszczące metody analizy

Przepływ informacji w analizie

chemicznej

Kodowanie

informacji

Emisja

sygnałów

Kanał

Detekcja

sygnałów

Dekodowani

e

Próbka

+ czynności wstępne

Odbiór

informacji

SZUM

(zniekształcenia,

błędy

systematyczne)

Pomiar

Wynik analizy

Cd

5 mg/L

In

1,8 mg/L

Sr

66 mg/L

Ti

100 mg/L

Pomiar

Sygnał

Rejestracja sygnału

Kryteria Podziału Metod
Analitycznych



Metody bezwzględne (absolutne):



grawimetria i elektrograwimetria (m)



miareczkowanie ()



kulometria (Q)



termograwimetria (ubytek masy)



Gazometria ()



Metody porównawcze wymagające wzorcowania



metoda krzywej wzorcowej



metoda dodatku wzorca



metoda wzorca wewnętrznego



Metoda porównania z wzorcem

Kalibracja woltamperometrycznej metody

oznaczenia chromu

-900

-1000

-1100

-1200

-1300

-1400

-1500

0,00

0,01

0,02

0,03

cu

rr

en

t

[n

A

]

potential [mV]

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0

5

10

15

20

25

30

r = 0.9992

cu

rr

en

t

[n

A

]

Cr concentration [nM]

Typy krzywych kalibracyjnych

}

b

N

M

L

c

Y



0

5

10

15

20

25

30

35

c

x

Y

x

c

Y

Y

c

b

a

0

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0

50

100

150

200

Y
(I

p

, A)

c

Fe

3+

I = 79.7 c + 14.4
r = 0.9994

Kryteria Podziału Metod
Analitycznych



Metody klasyczne



Grawimetryczne (wagowe)



Objętościowe (miareczkowe)



Metody instrumentalne (fizykochemiczne)
(

z wykorzystaniem elektronicznych instrumentów

pomiarowych

)

Metody analityczne stosowane

w analizie spoiw mineralnych



Metody

normowe,

najcz

ę

ściej

klasyczne,

obejmujące:



 oznaczanie wagowe (grawimetryczne): SiO

2

,

SO

3

,

Ba

2+

;





oznaczanie

miareczkowe

(objętościowe),

głównie kompleksometryczne: Fe

2

O

3

, Al

2

O

3

, CaO,

MgO,

SO

3

, Cl

-

.

Metody analityczne stosowane

w analizie spoiw mineralnych



Metody instrumentalne:



 fluorescencji rentgenowskiej stosowane do oznaczania

pierwiastków

głównych i akcesorycznych;



 atomowej spektrometrii absorpcyjnej (AAS) do standardowego

oznaczania Na

2

O*, K

2

O* oraz niektórych składników głównych

i

śladowych;



 plazmowej spektrometrii emisyjnej (ICP AES) do oznaczania

pierwiastków głównych i śladowych;



  płomieniowej

spektrofotometrii

emisyjnej

(fotometrii

płomieniowej) do

standardowego oznaczania Na

2

O, K

2

O;



 spektrofotometrii absorpcyjnej (kolorymetrii) do analizy

wybranych składników, takich jak SiO

2

, TiO

2

, Fe

2

O

3

, MnO

2

, P

2

O

5

,

pierwiastki śladowe;



  potencjometrii znajdującej zastosowanie w analizie anionów,

chlorków,

fluorków, boranów;



      turbidymetrii do normowego oznaczania chlorków i SO

3

;



      woltamperometrii do oznaczenia TiO

2

, Fe

2

O

3

, MnO

2

oraz

pierwiastków

śladowych.

Kryteria Podziału Metod
Analitycznych



Składniki główne 100 - 1%



Składniki uboczne 1- 0.01%

(podrzędne, akcesoryczne)



Składniki śladowe < 0.01%

Jakościowy i ilościowy skład

cementu portlandzkiego

Pierwiastki Główne

 

 0,1%

Pierwiastki Podrzędne

0,01% - 0,1%

 

Pierwiastki Śladowe

< 0,01%

SiO

2

( 20%)

P

2

O

5

( 0,05%)

Zn

CaO ( 60%)

Cl

-

(0,05%)

Cu

MgO ( 2%)

S

-

(<0,05%)

Pb

Fe

2

O

3

( 3%)

V

2

O

5

(0,01%)

Cd

Al

2

O

3

( 6%)

Cr

całkowity

(0,01)

Tl

TiO

2

( 0,3%)

Ba

Cr(VI)

Na

2

O (0,x%)

 

Ni

K

2

O (0,x%)

 

As

SO

3

(2,8%)

 

Hg

MnO (0,0x - 0,2%)

 

 

Straty prażenia ( 3%)

 

 

Analiza Śladowa

(Trace analysis)



Analiza Śladowa (< 10

-2

%, IUPAC)



Ślady (10

-2

% - 10

-3

%)



Mikroślady (10

-3

% - 10

-6

%)



Nanoślady (10

-6

% - 10

-9

%)



Pikoślady (10

-9

% - 10

-12

%)

Podstawowe źródła zanieczyszczenia

próbek w analizie śladów



Zanieczyszczenia wtórne z powietrza i urządzeń do

pobierania próbki.



Wtórne zanieczyszczenia na etapie rozdrabniania i

wstępnego przygotowania próbki do pomiaru.



Wtórne zanieczyszczenia na skutek kontaktu z

naczyniem.



Wtórne zanieczyszczenia naczyń podczas mycia.



Zanieczyszczenia przez odczynniki stosowane w

analizie.



Zmiana składu roztworów wzorcowych i analitów

podczas transportu i przechowywania.

Desorpcję ze ścianek
naczyń, „efekt
pamięci naczyń”, itp.

Urządzenia grzejne, chłodzące, mieszające itp.

Adsorpcją na
ściankach naczyń,
sączkach itp.

Odczynniki

Powietrze

Wodę destylowaną
lub dejonizowaną

Odparowaniem

Zanieczyszczenie przez:

Straty
spowodowane:

Możliwości powstawania błędów w metodach chemiczno-

instrumentalnych

(kontaminacja i straty analitu)

Zanieczyszczenie próbek spowodowane pyłem

atmosferycznym.

Pył jest poważnym źródłem zanieczyszczeń, gdy

wchodzi w kontakt z próbką. Niekiedy ochronę
przed pyłem można osiągnąć, stosując zamknięte
naczynia i proste komory rękawicowe. Bardziej
efektywne i wygodne są pomieszczenia wysokiej
czystości typu „clean room” lub komory z
laminarnym nawiewem oczyszczonego powietrza,
tzw. „laminar flow box” (LFB).

Klasy czystości powietrza

Jakość powietrza jest sklasyfikowana w zależności od liczby cząstek

pyłu w jednostce objętości (liczba cząstek pyłu o średnicy 0,5 – 5
m w stopie sześciennej powietrza).

Wyróżniamy klasy: 100, 1000, 10 000, 100 000, 1 000 000. W

czystym pomieszczeniu o turbulentnym przepływie zachowana
jest klasa 1000 lub 10000.

Tabela: Klasy czystości powietrza

Klasy czystości powietrza

Rozmieszczenie cząstek w powietrzu w

zależności od jego czystości

Schemat budowy pomieszczenia

z laminarnym przepływem

Przykład laboratorium wysokiej
czystości

Analiza śladowa – warunki

pracy

Komora z laminarnym
nadmuchem czystego
powietrza (laminar flow box):

1 — zespół filtrów (filtr
wstępny, filtr HEPA), 2 —
osłona foliowa nadmuchiwanego
powietrza

Wpływ atmosfery laboratoryjnej na

wygnały woltamperometryczne Cd i Pb

Zależność wyników oznaczenia śladów Ni od

warunków laboratoryjnych i dnia wykonania analizy

Typowe zawartości metali w roztworze „ślepej

próby” (tła) oznaczone w różnych laboratoriach:

konwencjonalnym

oraz wysokiej czystości („clean room”)

Pierwiastek

„Clean room”

(μg/L)

Typowe

laboratorium

(μg/L)

Elektrolit

podstawowy

Cd

0,01

0,05

0,1 M HCl

Cu

0,05

5 – 50*

0,1 M HCl

Pb

0,02

5 – 50*

0,1 M HCl

Zn

0,05

5 – 50*

0,01 M HCl

Se

0,00

0,00

0,1 M HCl

Ni

0,005

1 – 15*

0,1 bufor

amoniakalny

* Wartość „tła” zależała od dnia w którym prowadzono analizę

Wpływ atmosfery laboratoryjnej na

wyniki oznaczenia Cd i Pb w próbce

żywności (mięso cielęce)

Oznaczany

pierwiastek

„Clean room”

(μg/g)

Standardowe

laboratorium

(μg/g)

Cd

0,35 ± 0,01

0,39 ± 0,03

Pb

0,19 ± 0,02

0,30 ± 0,05

Schemat stacji dejonizacji i oczyszczania wody do

celów analitycznych

Usuwanie zanieczyszczenie próbek

spowodowane odczynnikami

Aparaty z PTFE do destylacji HF:
1 — korpus z PTFE, 2 — ciecz destylowana, 3 — przezroczysta folia PFA, 4 — obszar
skraplania, 5 — woda chłodząca, 6 — do odbieralnika, 7 — promiennik IR

Destylacja poniżej temperatury

wrzenia

(subboiling system)



destylarka kwarcowa



otrzymywanie ultra-czystych kwasów stosowanych w analizie
śladowej

1. Napełniacz w formie U-rurki,
2. Połączenie szlifowe napełniacza
3. Króciec napełniania
4. Naczynie destylacyjne
5. Osłona kwarcowa dla promiennika IR
6. Promiennik IR
7. Chłodnica

8. Wylot wody chłodzącej
9. Wlot wody chłodzącej
10. Destylowany kwas
11. Króciec wylotowy destylatu
12. Osłona szlifu
13. Odbieralnik destylatu
14. Odpływ nadmiaru kwasu

Kryteria Doboru Metody Analitycznej

(kilka równorzędnych metod do wyboru)



Rodzaj próbki



Przybliżony skład zarówno głównych składników, jak i
zanieczyszczeń



Rodzaj wymaganej informacji (oznaczanie głównego składnika,
oznaczanie śladów)



Wpływ efektów matrycy



Wymagana precyzja i dokładność



Czas trwania oznaczenia, pracochłonność



Ilość wykonywanych analiz i ich częstotliwość

Kryteria Doboru Metody Analitycznej

(kilka równorzędnych metod do wyboru)



Posiadana ilość próbki, stopień jej zniszczenia lub konieczność jej

zabezpieczenia



Posiadana aparatura, możliwość jej nabycia i koszty zakupu aparatury



Dostępność odczynników i ich trwałość



Koszt analizy



Osobiste przyzwyczajenia i wprawa



Normy krajowe, EWG i Systemy Jakości, badania akredytowane



Ciągła, automatyczna kontrola procesów przemysłowych.

Etapy Postępowania Analitycznego

(cd)



Interpretacja, opracowanie wyników i ich

statystyczna oszacowanie (Evaluation of results);



określenie powtarzalności wyników;



precyzji metody*



dokładności postępowania analitycznego;



czułości*;



granicy wykrywalności i oznaczalności*;



specyficzności i selektywności*



odporności na interferencje



Testowanie lub opracowanie nowej metody oraz jej

walidacja (Validation).

Chemometria (Chemometry).



Dokładność (accuracy)



dobra zgodność wyniku pomiaru z wartością referencyjną (rzeczywistą lub

oczekiwaną). Wyniki dokładne nie są obciążone błędem systematycznym.

Miara poprawności wyników. Dokładność wyrażona jest przez błąd

bezwzględny lub względny.



Błąd bezwzględny: d = /x -



/



Błąd względny:

e =



Precyzja (precision)



wielkość charakteryzująca rozrzut wyników przy wielokrotnej analizie

składnika daną metodą analityczną. Im lepsza zgodność równoległych

wyników oznaczeń tym lepsza precyzja metody.



Miara powtarzalności i odtwarzalności wyników.



Błąd bezwzględny: d =

Charakterystyka Metrologiczna Metody Analitycznej

x±ε





/

/ 

x





/

/ 

x





/

/ 

x

/

/

x

x

Charakterystyka Metrologiczna Metody Analitycznej
(cd)



Powtarzalność (repeatability)



precyzja metody uzyskiwana przez tego samego analityka w

konkretnym laboratorium w identycznych warunkach (ten sam

analityk, analizowany materiał, aparatura) i w niewielkich

odstępach czasowych (within-day).



Powtarzalność wyrażona jest wartością odchylenia

standardowego względnie względnego odchylenia

standardowego wyników.



Odtwarzalność (reproducibility)



precyzja metody uzyskiwana przez różnych analityków w

różnych laboratoriach i z zastosowaniem różnej aparatury przy

zachowaniu tej samej procedury analitycznej lub w danym

laboratorium w długich odstępach czasu pomiędzy analizami

(between-day).

Charakterystyka Metrologiczna Metody Analitycznej
(cd)



Czułość (sensitivity)



stosunek przyrostu sygnału analitycznego do przyrostu stężenia. Miarą

czułości jest nachylenia funkcji wzorcowania (kalibracyjnej), Y:

Czułość:

S =



Zakres liniowości (linear range, dynamic range)



zakres stężenia w którym czułość metody na wartość stałą.



Granica wykrywalności (detection limit)



najmniejsze stężenie wykrywalnego składnika, przy którym można go

jeszcze wykryć daną metodą z określonym prawdopodobieństwem.

Stężenie składnika dla którego otrzymany sygnał może być odróżniony

od sygnału ślepej próby z określonym prawdopodobieństwem.



Granica oznaczalności (determination limit)



najmniejsze stężenie składnika przy którym można jeszcze określić go

ilościowo.

dc

dY

dc

dY

Charakterystyka Metrologiczna Metody Analitycznej
(cd)



Selektywność (selectivity)



metodę analityczną uważa się za selektywną jeśli jedynie

niewiele współwystępujących składników (inerferentów) może

zakłócać oznaczenie.



Specyficzność (specifity)



tylko oznaczana substancja ma wpływ na wartość sygnału

analitycznego. Metoda pozbawiona interferencji.



Wiarygodność analizy (reliability)



otrzymywanie dokładnych i precyzyjnych wyników, niepewność

związana z danym wynikiem powinna być mała.



Spójność pomiarowa (treceability)



Wykazanie, że wyniki uzyskane za pomocą metody rutynowej są

zgodne z wynikami metody odniesienia.

Literatura analityczna



Podręczniki i skrypty akademickie:



Adam Hulanicki, „Współczesna chemia analityczna, Wybrane

zagadnienia”,PWN, W-wa, 2001



J. Minczewski, Z. Marczenko, „Chemia analityczna”, Wyd. Nauk. PWN

W-wa 2008



Impaktowe międzynarodowe czasopisma analityczne: Analytical

Chemistry, Analytica Chimica Acta, Talanta, Analyst, Analytical and

Bioanalytical Chemistry, Analytical Letters, Current Analytical

Chemistry, Trends in Analytical Chemistry, Microchimica Acta,

Chemical Analysis (do 2009), Crotica Chimica Acta, Collection, Acta

Chimica Slovenica, Chemicke Zvesti, Journal of Analytical Chemistry.



Impaktowe międzynarodowe czasopisma analityczne dotyczące

wąskiej grupy metod instrumentalnej: Electroanalysis,

Electrochemistry Communications, Electrochimica Acta, Journal of

Electroanalytical Chemistry, Spectrochimica Acta, Journal of

Chromatography)



Impaktowe międzynarodowe czasopisma dotyczące zastosowania

analityki w przemyśle lub ochronie środowiska: Environmental Science

and Technology, Journal of Environmental Analytical Chemistry, Bull

Environ Contam Toxicol., Polish Journal of Environmental Science)

Literatura analityczna



Wyszukiwarki internetowe:



Google (

www.google.pl

)



Scholar google (acholar.google.pl)



Scirus (

www.scirus.com

)



Scopus (

www.scopus.org

)



ChemWeb (

www.chemweb.com

)



CAS (

www.cas.org

)