II Spektrofotometria absorpcyjna.

Spektrofotometria wykorzystuje absorpcję promieniowania nadfioletowego (UV), widzialnego (VIS) i podczerwonego (IR), zachodzącą podczas przechodzenia jednego z tych rodzajów promieniowania przez badaną substancję.

Widmo promieniowania elektromagnetycznego - zbiór wszystkich fal elektromagnetycznych, uporządkowanych wg rosnącej długości fali.

Zakres nadfioletu UV - 200 - 380 nm

Zakres widzialny VIS - 380 - 780 nm

Absorpcja - przekształcenie energii promienistej w inne formy energii wskutek oddziaływania z materią.

Promieniowanie monochromatyczne - wiązka promieniowania elektromagnetycznego o jednakowych kwantach energii, to jest o jednakowej długości fali.

Roztwór odniesienia - roztwór stosowany do napełniania kuwety odniesienia podczas spektrofotometrycznego pomiaru próbek roztworowych. Najczęściej jest to rozpuszczalnik, a może to być ślepa próba.

Ślepa próba - roztwór przygotowany w ten sposób, aby kompensował absorbancję pochodzącą od czynników lub też składników różnych od oznaczanego.

Transmitancja T - stosunek natężenia wiązki promieniowania przepuszczonego przez próbkę do natężenia wiązki padającej:

Absorbancja A - logarytm dziesiętny odwrotności transmisji.

Współczynnik absorpcji a - stosunek absorbancji do grubości warstwy absorbującej (b) i stężenia substancji absorbującej (c).Jednostka:dm³cm^-1mol^-1

Współczynnik absorpcji molowy ε - grubość warstwy absorpcyjnej (b) wyrażona jest w cm, a stężenie (Cm) w molach substancji absorbującej na dm³;

Widmo absorpcji - widmo, które powstaje w wyniku przejścia promieniowania elektromagnetycznego przez ośrodek absorbujący.

Krzywa absorpcji - wykres zależności absorbancji od długości fali.

Krzywa wzorcowa - wykres zależności pomiędzy mierzoną wielkością a stężeniem oznaczanej substancji.

Bezpośrednia metoda spektrofotometryczna - metoda analityczna, w której podstawą oznaczeń jest selektywna absorpcja oznaczanego składnika.

Punkt izoabsorpcyjny - długość fali, przy którejwspółczynnik absorpcji dwóch lub więcej substancji są sobie równe.

Punkt izozbestyczny - punkt przecięcia szeregu krzywych absorpcji przy zmianie jednego z parametrów układu będącego w równowadze.

Prawo absorpcji - jeśli wiązka promieniowania monochromatycznego o natężeniu I₀ pada na warstwę substancji lub jej roztworu znajdującą się w kuwecie, to promieniowanie zostanie częściowo pochłonięte, częściowo odbite od ścianek kuwety lub rozproszone, a reszta przechodzi przez próbkę:

I₀=I_a+I_r+I_t

Pomiary absorpcji promieniowania wykonuje sie zawsze w zestawieniu z substancją lub roztworem porownawczym, używając możliwie identycznych kuwet.

Prawo Bouguera - Lamberta - natężenie promieniowania przechodzącego przez ośrodek absorbujący zmniejsza się w stosunku geometrycznym, gdy grubość warstwy rośnie w stosunku arytmetycznym:

I=I₀ e^-kl

Powyższą zależność przedstawia się w formie logarytmicznej:

A=ln I₀/I = kl

Do określenia ilości zaabsoorbanego promieniowania używa się także wielkości zwanej transmitancją (T), zdefiniowaną jako:

T = I/I₀

Prawo Beera - uzależnia ono natężenie promieniowania zaabsorbowanego od stężenia (c) substancji absorbującej.

I=I₀ e^-kc

Zestawiając te dwa prawa otrzymujemy:

I=I₀ 10^-εl

Ε- molowy współczynnik absorpcji

Prawo addytywności absorpcji - absorbancja roztworu wieloskładnikowego równa się sumie absorbancji poszczególnych składników:

A=A₁+A₂+A₃+A₄+…+A_n

Prawo absorpcji w odniesieniu do roztworów są spełnione wtedy, gdy w roztworach tych nie zachodzą żadne reakcje między substancją absorbującą a rozpuszczalnikiem oraz między cząsteczkami substancji absorbującej.

Prawo absorpcji- podstawa oznaczeń spektrofotometrycznych:

A = ε c l= k c

A - absorbancja

Ε - współczynnik molowy absorpcji

C - stężenie substancji absorbującej

l - grubość warstwy ośrodka absorbującego

k - współczynnik zastępujący iloczyn ε l

2.Przyczyny występowania odstępstw od praw absorpcji:

-czynniki chemiczne - wynikają z reakcji przebiegających w roztworze absorbującym w miarę wzrostu stężenia składnika oznaczanego. Zachodzą wtedy reakcje polimeryzacji albo kondensacji cząsteczek lub jonów absorbujących, reakcje między jonem absorbującym i rozpuszczalnikiem.

-czynniki aparaturowe - które powodują odchylenie od praw absorpcji, są najczęściej związane z brakiem monochromatyczności wiązki promieniowania.

Błąd pomiaru zależy w dużym stopniu od jakości przyrządu.

3.Metody spektrofotometryczne.

a)metoda krzywej wzorcowej

Polega ona na ustaleniu zależności pomiędzy stężeniem substancji oznaczonej w roztworze a absorbancją. Jeżeli roztwór zachowuje się zgodnie z prawem Lamberta - Beera, zależność ta jest prostoliniowa. Absorbancję uzyskuje się przez porównanie pomiarów wykonanych dla roztworu substancji oznaczanej i odnośnika, to jest roztworu identycznego z badanym, nie zawierajacego tylko substancji oznaczanej. Stężenie substancji oznaczanej odczytuje się wprost z krzywej wzorcowej. Przy wykonywaniu krzywej absorpcji badanej substancji, w odpowiednio dobranym rozpuszczalniku, ustala się położenie max absorpcji i odpowiadajacą mu długość fali. To max absorpcji przyjmuje się jako analityczną długość fali. Po ustaleniu analitycznej długości fali przygotowuje się serię roztworów oznaczanej substancji w tym samym rozpuszczalniku o różnych stopniowo wzrastających stężeniach. Absorbancje tych roztworów mierzy się przy analitycznej długości fali wobec odnośnika.

b)metoda spektrofotometrii różnicowej - stosuje się ją wtedy gdy T < 20%. Zaklada się że najmniej stężony wzorzec C₁ ma transmitancję T=100%. Zerowa przepuszczalność pozostaje taka, jak w normalnym pomiarze dla zaciemnionego detektora promieniowania. W ten sposób znacznie rozszerza się skalę pomiaru, a zatem zwiększa się czułość pomiaru w danym zakresie.W tej metodzie przez roztwory musi przechodzić intensywniejszy strumień świetlny, który uzyskuje się przez rozszerzenie szczeliny.

c)metoda analizy śladowej - mierzy się bardzo rozcieńczone roztwory (T<80%). Polega ona na zasadzie odwrotnej niż metoda różnicowa. Zerową transmitancję ustala się dla najbardziej stężonego roztworu c, a t=100% dla czystego rozpuszczalnika.

d)metoda rozciągniętej skali łączy cechy obu poprzednich metod.

e) miareczkowanie spektrofotometryczne - wykonuje się przy stałej długości fali. Do próbki dodaje się czynnik miareczkujący i bada się zależność absorbancji od objętości dodanego titrantu. Konieczne jest spełnienie prawa Lamberta - Beera. Titrant musi być dostatecznie stężony.

4.Analiza ilościowa.

Spektrofotometryczną analizę ilościową prowadzi się z zastosowaniem metod bezpośrednich i pośrednich.

-metoda bezpośrednia - podstawą oznaczeń jest selektywna absorpcja oznaczanego składnika.Tą metodą oznacza się głównie związki organiczne.

-metoda pośrednia - to ta w której pomiary absorbancji prowadzi się dopiero po przeprowadzeniu działań wywołujących absorpcję, której wartość jest proporcjonalna do stężenia oznaczanego składnika.Tą metodą oznacza się pierwiastki i związki nieorganiczne.

5. Wykonanie oznaczenia spektrofotometrycznego.

a)roztwory wzorcowe oznaczanego składnika.

Podstawowe roztwory substancji wzorcowej o stężeniu 1 mg/cm³ lub 10mg/cm³ przygotowuje się wychodząc przynajmniej z 2 odważek. Podczas oznaczeń, zależnie od czułości metody, korzysta się bezpośrednio z roboczych roztworów wzorcowych o stężeniach 0,1 mg/cm³ lub 0,01 mg/dm³. Przygotowuje się je przez odpowiednie rozcieńczenie roztworu podstawowego odpowiednim rozpuszczalnikiem.

b)przygotowanie krzywej wzorcowej

Krzywa wzorcowa określa zależność między mierzoną absorbancją, a stężeniem oznaczanego składnika w badanym roztworze. W celu sporządzenia krzywej przygotowuje się szereg roztworów roboczych substancji wzorcowej o różnych stężeniach. Zwykle przygotowuje się dwie serie roztworów, wychodzc z dwóch różnych podstawowych roztworów wzorcowych.Krzywą wzorcową przygotowuje się dla stężeń substancji, dla których absorbancje są nie większe niż 0,9 - 1,0.

c)wykonanie pomiaru

Należy unikać stosowania długości fal odpowiadających stromym częściom krzywej absorpcji, ponieważ drobne nieścisłości ustawienia długości fali powodują duże błędy.Podczas wyboru analitycznej dlugości fali trzeba uwzględniać absorpcję własną rozpuszczalnika i nie oznaczanych składników próbki.Pomiary absorbancji roztworów badanych i roztworów do krzywej wzorcowej wykonuje się w kuwetach takiej samej grubości. Należy tak manipulować kuwetami, aby nigdy nie dotykać powierzchni optycznej kuwet.

W czasie wykonywania oznaczenia spektrofotometrycznego należy pamiętać o addytywności absorpcji. Uzyskiwane widma są wynikiem sumowania absorbancji układu. Zastosowanie ślepej próby powoduje najczęściej, że mierzy się absorbancję tylko oznaczanego skladnika. Bardzo istotnym zagadnieniem jest stosowanie odpowiedniego rozpuszczalnika i kwasowości (pH) badanej próbki gdyż wpływają na widmo.

V.Chromatografia.

Chromatografia - jest grupą metod analizy, w których podstawowym elementem jest rozdzielanie mieszanin jednorodnych substancji na składniki. Odbywa się to na podstawie podziału mieszaniny między fazę nieruchomą i ruchomą układu chromatograficznego.

Efektem rozdzielania chromatograficznego jest chromatograf, który może mieć postać układu plam lub wykresu odpowiednich krzywych. Ten wykres powstaje w wyniku rejestracji sygnałów, w funkcji czasu, detektora umieszczonego na końcu kolumny.

Fazą ruchomą może być gaz, ciecz lub substancja w stanie pośrednim między gazem a cieczą - w stanie nadkrytycznym. Jeśli fazą ruchomą jest gaz, to chromatografia nosi nazwę gazowej, gdy fazą ruchomą jest ciecz, wówczas chromatografia nazywa się cieczową. W przypadku substancji w stanie nadkrytycznym odpowiadający jej rodzaj chromatografii został nazwany chromatografią fluidalną.

Chromatograficzną fazą nieruchomą może być ciało stałe (absorbent) lub ciecz. Gdy faza nieruchoma umieszczona jest w kolumnie to chromatografia jest kolumnowa a jeśli w płaszczyźnie - planarna.

2. Klasyfikacja metod chromatograficznych.

a)klasyfikacja uwzględniająca stan skupienia fazy nieruchomej i ruchomej:

-cieczowa adsorpcyjna, gazowa adsorpcyjna, cieczowa podziałowa, gazowa podziałowa, fluidalna.

b)klasyfikacja wynikająca z natury zjawisk będących podstawą rozdziału chromatograficznego.

-chromatografia adsorpcyjna - rozdział mieszanin oparty jest na zjawisku adsorpcji składników mieszaniny na odpowiednio dobranej powierzchni fazy nieruchomej, zwanej adsorbentem.

-chromatografia podziałowa - rozdział oparty jest na ekstrakcji, tzn. na podziale składników mieszaniny między dwie fazy nie mieszające się, z których jedna - faza stacjonarna naniesiona jest na specjalny nośnik, a druga - faza ruchoma przepływa nad fazą stacjonarną.

-chromatografia jonowymienna - rozdział opiera się na reakcji wymiany jonowej między rozdzielanymi jonami, zawartymi w roztworze, a jonami związanymi z makrocząsteczką wymieniacza jonowego.

-chromatografia sitowa - rozdział oparty jest na efekcie sitowym, a głównym warunkiem jego przebiegu są różne wartości masy cząsteczkowej rozdzielanych związków, czyli wielkość cząsteczki, a także jej budowa przestrzenna.

3. Chromatografia gazowa.!

Wielkości charakterystyczne:

-całkowity czas retencji danego składnika t_R - jest to czas liczony od momentu wprowadzenia próbki do momentu pojawienia się na chromatografie max. Danego piku, tzn. do pojawienia się na wyjściu kolumny max. Stężenia wymywanego związku.

-martwy czas retencji t_M - czas retencji gazu nie ulegającego adsorpcji (np.He).

-zredukowany czas retencji t'_R - czas retencji danego składnika, liczony od martwego czasu retencji.

-skorygowany czas retencji

t°_R = j t_R

j - współczynnik korekcyjny

-całkowita objętość retencji V_R - objętość gazu nośnego potrzebna do wymycia tego składnika, mierzona od momentu wprowadzenia próbki do momentu pojawienia się na chromatogramie max. Danego piku:

V_R= F₀ t_R

F_o - objętościowa prędkość wypływu gazu nośnego z kolumny (cm³ /min)

-martwa objętość retencji V_M :

V_M= F₀ t_M

-zredukowana V'_R:

V'_R=F₀ t'_R

-skorygowana :

V°_R = j V_R

-współczynnik podziału K:

K= C_L/ C_G

C_L, C_G - stężenia substancji chromatograficznej

-współczynnik selektywności α_i,j

α_i,j = K_i/ K_j

Gaz nośny - jest fazą ruchomą. Wybierając gaz należy uwzględnić detektor, który będzie zastosowany oraz czystość gazu będącego do dyspozycji. Gaz nośny nie może zmieniać swych fizycznych i chemicznych cech przepływu przez chromatograf. Jako gaz nośny stosuje się najczęściej H, N, Ar, He. Czystość gazu nośnego wpływa na pracę detektora i na wypełnienia kolumn. Do regulacji i pomiaru przepływu gazu nośnego służą reduktory butlowe oraz zawory, manometry i przepływomierze.

Dozowniki - są częścią wprowadzającą próbkę w strumień gazu nośnego, który przenosi ją do kolumny. Temp. dozownika musi być odpowiednio wysoka - zwykle około 20C powyżej temp. wrzenia najwyżej wrzącego składnika próbki. Temp. nie może być jednak za wysoka, ponieważ mogło to by spowodować rozkład termiczny próbki.

Pirolityczna chromatografia gazowa - analizę wykonuje się przy zastosowaniu rozkładu próbki pirolitycznego.

Zbyt niska temp. dozownika może spowodować powolne odparowanie składników próbki, w wyniku czego próbka jest wprowadzana do kolumny przez długi czas. Wówczas piki są rozmyte a rozdzielanie chromatograficzne złe.

W każdym sposobie dozowania muszą być spełnione następujące warunki: wprowadzona do kolumny próbka musi mieć możliwie najmniejszą objętość,

Warunki w kolumnie nie mogą być zakłócone, ilość wprowadzonej substancji i sposób dozowania próbki muszą być powtarzalne z max dokładnością.

`Kolumny, wypełnianie kolumn

Rozróznia się następujące rodzaje kolumn:

-zwykłe analityczne, pakowane o średnicy wew. 2- 6 mm i dł. kilku metrów (1- 3m)

-mikropakowane o średnicy 0,8 - 1,2 mm i dł. do kilkunastu metrów,

-kapilarne o średnicy 0,2- 0,6 mm i długości kilku metrów,

-mikrokapilarne o średnicy poniżej o,1 mm i dł. do kilkudziesięciu metrów

Kolumny są wykonane z materiałów nieaktywnych chemicznie i katalitycznie w stosunku do wypełnień kolumn i chromatografowanych substancji - tzn. ze stali nierdzewnej, szkła rzadziej z miedzi lub Al. Kolumny kapilarne wytwarza się często z topionego kwarcu i pokrywa z zew. warstwą tworzywa lub Al., co im nadaje dużą wytrzymałość i trwałość mechaniczną. Kolumny analityczne mikropakowane i preparatywne są napełnione fazą stacjonarną w całej swej objętości. Natomiast kolumny kapilarne mają fazę stacjonarną osadzoną tylko na ściankach. Kolumny pakowane są wypełniane cząstkami adsorbentu lub nośnika z osadzoną na nim fazą ciekłą.

`Sprawność kolumn - jakość pakowanej kolumny charakteryzuje się sprawnością wyznaczaną wysokością równoważną półce teoretycznej WRPT. WRPT jest najmniejszą dł. odcinka kolumny, w której osiąga się stan równowagi między stężeniem substancji chromatografowanej w fazie ruchomej i nieruchomej. Im WRPT jest mniejsza tym kolumna ma więcej półek i jest sprawniejsza.

`Detektory

Detektor ma za zadanie przetworzyć stężenia substancji w fazie ruchomej w sygnały elektryczne. Reagują one na różne właściwości fizykochemiczne gazu nośnego i gazu, w którym znajduje się substancja eluowana z kolumny. Rejestrowane zmiany mogą być proporcjonalne albo do stężenia, albo do natężenia masowego przepływu wykrywanego składnika w gazie nośnym. Powinien charakteryzować się dużą czułością. Dobry detektor charakteryzuje stabilność wskazań sygnału i linii podstawowej oraz szeroki zakres liniowości jego wskazań. Rozróżnia się detektory uniwersalne do wykrywania wszystkich substancji i selektywne do wykrywania niektórych grup związków.

-detektor cieplno- przewodnościowy czujnik tego detektora reaguje na zmianę przewodnictwa cieplnego gazu, reaguje na wszystkie substancje, ma duże zastosowanie.

-detektor płomieniowo - jonizacyjny - zasada działania polega na wykorzystaniu ostrej zmiany przewodnictwa elektrycznego atmosfery płomienia wodorowego po wprowadzeniu do niego śladów związków organicznych tworzących w procesie spalania karbojony. Sygnał tego detektora jest proporcjonalny do liczby atomów węgla nie związanych z tlenem. Jest czuły do większości związków organicznych.

-detektor płomieniowo - fotometryczny - przeznaczony jest do selektywnego wykrywania związków siarki i fosforu z dużą czułością.

-detektor siarkowy chemiluminescencyjny - przeznaczony jest do wykrywania związków siarki na bardzo niskim poziomie.

-detektor wychwytu elektronów - zasada działania polega na gwałtownym spadku natężenia prądu płynącego w komorze jonizacyjnej po wprowadzeniu do niej substancji o dużym powinowactwie elektronowym.

-detektor fotojonizacyjny - substancje chromatografowane ulegają jonizacji pod wpływem promieniowania nadfioletowego.

-detektor emisji atomowej - jest to detektor specyficzny, np. do analizy zanieczyszczeń środowiska, związków metaloorganicznych i produktów petrochemicznych. Zasada działania polega na tym, że rozdzielone w kolumnie składniki próbki są wprowadzane do indukowanej mikrofalami plazmy helowej. Plazma zawierająca swobodne ładunki, powoduje rozkład cząsteczek chromatografowanych substancji na atomy. Atomy te ulegają wzbudzeniu i powracając do niższego stanu energetycznego emitują promieniowanie charakterystyczne dla danego pierwiastka.

5.Zastosowanie.

jest wykorzystywana głównie do identyfikacji i ilościowego oznaczania składnika mieszaniny. Do identyfikacji mieszanin złożonych wykorzystuje się min. Wykresy logarytmiczne przedstawiające liniową zależność objętości retencji od liczby atomów węgla w szeregu homologicznym lub zależność logarytmu objętości retencji od temp. wrzenia związków szeregu homologicznego.

Ilościowa analiza oparta jest na liniowej zależności między sygnałem detektora a stężeniem substancji badanej w gazie nośnym. Powierzchnia piku jest proporcjonalna do ilości oznaczanej substancji.

VI. Chromatografia cieczowa.

Tu fazą ruchomą jest ciecz a fazą nieruchomą jest ciało stałe. Obecnie praktycznie stosowana jest głównie chromatografia cieczowa kolumnowa, prowadzona pod wysokim ciśnieniem (HPLC).

2. Faza ruchoma (eluent)

Stanowią ją pojedyncze rozpuszczalniki lub ich dwu-, albo więcej składnikowe mieszaniny. W kolumnie w skład fazy ruchomej oprócz eluentu mogą wchodzić także składniki rozdzielanej mieszaniny. Po rozdzieleniu składniki te są obecne w wycieku z kolumny (eluat).

Skład eluentu może być jednakowy podczas całego rozdzielania chromatograficznego i wtedy chromatografia jest określana jako izokratyczna. Jeśli skład eluentu zmienia się podczas chromatografowania próbki, to nazywa się gradientowa. Zmiana składu eluentu polega na stopniowym zwiększaniu ilości jednego rozpuszczalnika w drugim.

W celu ułatwienia wyboru właściwego rozpuszczalnika jako eluentu chromatograficznego rozpuszczalniki ułożono w szeregi eluotropowe. W przypadku polarnych faz stacjonarnych rozpuszczalniki są ułożone według rosnącej mocy eluowania.

W przypadku stosowania adsorbentów polarnych jako fazy ruchome używane są rozpuszczalniki mające mniejszą od nich polarność. Jest to tzw. normalny układ faz. Jako fazę ruchomą stosuje się tutaj n - heksan i jego mieszaniny z rozpuszczalnikami polarnymi.

Jeżeli adsorbent jest mało polarny lub niepolarny, to stosowana faza ruchoma jest bardziej od niego polarna. Taki układ nazywa się odwróconym układem faz. W tym układzie jako fazę ruchomą stosuje się mieszaniny metanolu i wody lub acetronitrylu i wody.

Najważniejszym czynnikiem charakteryzującym eluent w chromatografii jonowymiennej jest siła jonowa. Jednak na właściwości eluentu wpływają tutaj także: wartość pH oraz obecność modyfikatora organicznego.

3.Dozowniki - do dozowania próbek analizowanych stosuje się zawory dozujące. Zawór dozujący jest zbudowany tak, że w jednym położeniu dźwigni można przepłukać i napełnić wymienną pętlę dozowniczą o określonej objętości ciekłą próbką lub roztworem ciała stałego.

4. Kolumny

Kolumna jest rurką długości od 10cm do 25 cm, zamkniętą z 2 końców filtrami i końcówkami umożliwiającymi połączenia z dozownikiem i detektorem. Wykonuje się je ze stali nierdzewnej. Filtry są zwykle stalowe o średnicy porów 0,5 - 2 um.

Jako wypelnienie stosuje się żel krzemionkowy. Aktywność rozdzielcza żelu krzemionkowego jest związana z obecnością na jego powierzchni grup silanowych. Obecnośc tych grup powoduje, że na powierzchni żelu może adsorbować się woda, dezaktywując tę powierzchnię. Obecnie większe znaczenie niż żel krzemionkowy mają wypelnienia otrzymane przez jego modyfikację. Modyfikacja polega na związaniu z aktywnymi grupami żelu związków organicznych w reakcjach podobnych silanizowaniu nośników.

5. Detektory.

Używa się detektorów optycznych i elektrochemicznych. Zasada ich działania polega na rejestrowaniu różnicy określonej właściwości samego eluentu i roztworu substancji chromatografowanej w tym eluencie.

-detektor spektrofotometryczny UV - działa na zasadzie absorpcji światła nadfioletowego. Obecnie produkowane są detektory, w którym możliwa jest płynna regulacja dł. fali światła w całym zakresie nadfioletu i jego części widzialnej, czyli istnieje możliwość ustawienia tzw. Tabeli czasowej detekcji - różne dł. fali w czasie chromatografowania. Taki detektor po zatrzymaniu przepływu fazy ruchomej umożliwia rejestrację widma absorpcji substancji znajdującej się w detektorze i ustalenie dł. fali, przy której występuje max absorpcji. Detektor ten jest niewrażliwy na zmiany przepływu fazy ruchomej i zmiany temp..

-detektor fluorescencyjny - istota detekcji polega na pomiarze intensywności promieniowania o określonej dł. fali, emitowanego przez wykrywany związek w wyniku pobudzenia. Jest on bardzo czuły.

-detektor refraktometryczny - detekcja odbywa się na zasadzie pomiaru różnicy współczynnika załamania światła eluentu i eluata zawierającego w sobie substancję oznaczaną. Jest to detektor średniej czułości i jest wrażliwy na żmiany ciśnienia i temp.. Musi być starannie termostatowany.

-detektory elektrochemiczne - jest to grupa detektorów, których działanie oparte jest na polarografii, amperometrii, kulometrii lub konduktometrii. Są używane do wykrywania substancji podlegających reakcjom elektrochemicznego utlenienia i redukcji. Faza ruchoma musi przewodzić prąd elektryczny, co osiąga się przez dodawanie odpowiednich soli.

6. Przygotowanie próbek do analizy

-rozpuszczenie próbki w odpowiednim rozpuszczalniku

-usunięcie składników i mechanicznych zanieczyszczeń, które mogłyby niekorzystnie wpływać na działanie kolumny i innych części przyrządu,

-wzbogacenie próbki w określone substancje,

-przekształcenie próbki w postać sprzyjającą rozdzielaniu i dobremu wykryciu jej składników.

Metoda ekstrakcji do fazy stałej - polega na przepuszczeniu ciekłej analizowanej próbki przez złoże adsorbentu w kolumnie i adsorpcję oznaczanych związków w złożu. Zaadsorbowne substancje wymywa się następnie ilościowo niewielką objętością rozpuszczalnika.

W niektórych przypadkach etap przygotowania próbki jest ważniejszy, trudniejszy i może trwać dłużej niż właściwa analiza.

7. Zastosowanie.

Analiza jakościowa polega na identyfikacji pików odpowiadających poszczególnym składnikom próbki. Wykorzystuje się w tym celu wielkości retencyjne.

Pojawienie się pików substancji, których nie ma w analizowanej próbce może być wynikiem nie wymycia wszystkich składników poprzednio chromatografowanej próbki.

IV. Adsorpcja.

Adsorpcja jest podstawowym zjawiskiem powierzchniowym poprzedzającym wielką liczbę procesów fizycznych i chemicznych przebiegajacych na powierzchni graniczących ze sobą faz.Adsorpcja jest to zjawisko zmiany stężenia substancji na powierzchni.

Proces rozdzielania w kolumnie chromatografu, wypelnionej adsorbentem opiera się na zjawisku adsorpcji. Następują międzymolekularne oddziaływania składników próbki z fazą stacjonarną. Oddziaływania te można podzielić na 4 grupy.

a)oddziaływania orientacyjne - są one skutkiem wzajemnego oddziaływania trwałych dipoli i zależą głównie od temp..

b)oddzialywania indukcyjne - występują one między dipolem trwałym i dipolem nietrwałym indukowanym przez dipol trwały sąsiednich cząsteczek. Są one względnie słabe.

c)oddzialywanie dyspersyjne - siły dyspersyjne pojawiają się jako skutek wzajemnego oddziaływania poruszających się elektronów 2 sąsiednich układów elektronowych. Nawet niepolarne cząsteczki na skutek nieustającego ruchu elektronów stają się nieelektrycznie niesymetryczne i mają momenty dipolowe, które kompensują się w czasie. Cząsteczki takie, jako zmienne dipole oddziałują polaryzująco na inne układy elektronowe i dochodzi do oddziaływania elektrokinetycznego.

d)oddziaływania specyficzne - zaliczają się tu w pierwszym rzędzie oddziaływania donorowo - akceptorowe, które występują pomiędzy jednym składnikiem zawierającym układ п - elektronowy i wykazującym niewielką energię jonizacji a drugim składnikiem o dużym powinowactwie do elektronów.

2. Adsorpcja na granicy faz:ciało stałe - gaz, ciało stałe - ciecz.

Ciało stałe ma zdolność sorbowania z fazy gazowej na swojej powierzchni par, gazów i cieczy znajdujących się w stanie wielkiego rozproszenia oraz substancji rozpuszczonych z roztworu.

Energia powierzchniowa ciała stałego jest tym większa im większa jest jego powierzchnia właściwa, to jest powierzchnia jednego grama w cm².

Po zetknięciu się gazu z pow. absorbentu w układzie zamkniętym ustala się po odpowiednim czasie równowaga, zwana równowagą adsorpcyjną.

f(a,p,T)=0

gdzie:

a - pojemność sorpcyjna, czyli ilość substancji w warstwie powierzchniowej na gram sorbentu

p - ciśnienie równowagowe

T - temperatura

Ponieważ w równaniu występują 3 parametry, można rozpatrywać równowagę adsorpcyjną w trojaki sposób.

a)Jeżeli T=const, to równowagę można przedstawić równaniem izotermy adsorpcji

a=f(p)_T

b)Jeżeli p=const, to równowagę zapisujemy równaniem izobary adsorpcji:

a=f(T)_p

c)Jżeli a=const, to będziemy mieli równowagę opisaną równaniem izostery adsorpcji:

p=f(T)_a

3. Izoterma Freundlicha

X - ilość zaadsorbowanej substancji

m - masa sorbentu

p - ciśnienie gazu

k,n - wielkości stałe dla danego sorbentu

4. Izoterma Langmuira

W modelu tym zakłada się, że:

-na pow. adsorbentu znajduje się określona liczba miejsc aktywnych

-na każdym z tych miejsc może zaadsorbować się tylko jedna cząsteczka adsorbatu

-wiązanie z adsorbentem może być chemiczne lub fizyczne, lecz dostatecznie silne, aby cząsteczki zaadsorbowane nie przemieszczały się po powierzchni

-brak oddziaływania pomiędzy cząsteczkami adsorbatu w warstwie powierzchniowej

W równowadze termodynamicznej szybkość adsorpcji równa się szybkości desorcji:

5.Teoria wielowarstwowej adsorpcji BET.

Założenia w teorii BET:

-powierzchnia adsorbentu jest jednorodna

-cząsteczki w pierwszej monowarstwie są zlokalizowane

-każda cząsteczka w pierwszej monowarstwie jest miejscem do adsorpcji cząsteczki w drugiej warstwie, cząsteczki zaś w drugiej warstwie są miejscem do adsorpcji cząsteczek w kolejnej 3 warstwie

-energia adsorpcji cząsteczek w pierwszej monowarstwie jest większa od energii przyłączenia następnych warstw, które już nie różnią się między sobą.

6. Adsorbenty. Właściwości.

Adsorbenty nieporowate otrzymuje się przez strącanie krystalicznych osadów np. BaSO₄ lub przez mielenie szklistych lub krystalicznych ciał stałych. Adsorbenty te mają niewielką powierzchnię właściwą. Do tej grupy należą czarne sadze, białe sadze, aerozole krzemionkowe, sadze grafitowe.

Adsorbenty porowate - stosowane są powszechnie do pochłaniania gazów i par, do osuszania, adsorpcyjnego rozdzielania składników mieszanin, oczyszczania roztworów itp. Charakterystyczną cechą tej grupy adsorbentów są pory:

-mikropory - promienie do 2 nm

-mezopory - promienie od 2 - 200 nm

-makropory - promienie powyżej 200 nm

Do adsorbentów porowatych należą min.:żele krzemionkowe, tlenki glinowe, węgle aktywne, sita molekularne, szkła porowate, polimery organiczne modyfikowane, diatomity silanizowane.

I.Konduktometria- jest analityczną metodą oznaczania stężenia roztworów elektrolitów na podstawie pomiaru ich przewodnictwa, przy wykorzystaniu prądu niskiej i wysokiej częstotliwości. Elektrolity należą do tzw. przewodników drugiego rodzaju, w których nośnikiem prądu są jony dodatnie i ujemne.

Opór R - zależy od jego długości l, przekroju s i rodzaju materiału, z którego wykonano przewodnik.

p- opór właściwy

Przewodnictwo elektryczne:

Jednostką przewodnictwa jest simens

Przewodnictwem właściwym nazywamy odwrotność oporu właściwego:

Przewodnictwo równoważnikowe elektrolitu zależy od stężenia elektrolitu i ruchliwości jego jonów.Rośnie ono ze spadkiem stężenia wskutek wzrostu dysocjacji i osiąga pewną wartość graniczną w bardzo rozcieńczonych roztworach.Wielkość tą nazywamygranicznym przewodnictwem równoważnikowym.

Początkowo przewodnictwo właściwe rośnie ze wzrostem stężenia, gdyż wzrasta w roztworze liczba jonów będących nośnikiem prądu. Po osiągnięciu max wraz z dalszym wzrostem stężenia przewodnictwo właściwe maleje, gdyż dla dużych stężeń występują silne oddziaływania elektrostatyczne, które utrudniają wędrówkę jonów.

Przewodnictwo równoważnikowe rośnie ze wzrostem rozcieńczenia.Dla rozcieńczonych roztworów mocnych elektrolitów jednowartościowych zależność A=f© jest linią prostą.

Istotny wpływ na wartość przewodnictwa właściwego ma temperatura.Wzrost temp. wywołuje wzrost przewodnictwa, gdyż obniża się lepkość roztworu i wzmaga ruchliwość jonów.Wpływ temp. na przewodnictwo właściwe określa zależność empiryczna:

2.Konduktometria bezpośrednia

Większość zastosowań dotyczy roztworów wodnych.Czysta wodajest bardzo złym przewodnikiem.Jej przewodnictwo właściwe wynosi 5 10^-8 S cm^-1 w temp. 25C.Zwykle woda destylowana lub dejonizowana ma jednak przewodnictwo znacznie większe. Największy wpływ na przewodnictwo czystej wody wykazuje kwas węglowy.

Wzrost przewodnictwa wody świadczy o jej zanieczyszczeniu związkami mineralnymi. Niektóre konduktometry zwane solomierzami są wyskalowane w jednostkach stężenia NaCl, ponieważ wodny roztwór chlorku sodowego ma przewodność właściwą najbardziej zbliżoną do średniej przewodności innych soli występujących w wodach naturalnych.

Ważny jest pośredni konduktometryczny pomiar stężeń poszczególnych śladowych składników w gazach.Pomiar przewodnictwa wykorzystuje się również do oznaczania zawartości wilgoci w ciałach stałych.Wykorzystuje się tu fakt, że woda zawarta w glebie rozpuszcza zawarte w niej elektrolity i wtedy gleba wykazuje dobre przewodnictwo.Można w ten sposób oznaczać jej wilgotność, a także wilgotność zboża oraz innych materiałów sypkich.

Najlepsze rezultaty tą metodą uzyskuje się przy pomiarach stężeń roztworów pojedyńczych soli, gdy wymagane jest tylko wyskalowanie przyrządu dla danych warunków.Określenie czystości wody jest również częstym sposobem wykorzystywania pomiaru przewodnictwa właściwego, a tym samym możliwości kontroli rozprzestrzeniania się przemysłowych zanieczyszczeń rzek i jezior.Jak wiadomo konduktometrię stosuje się do oznaczania CO₂, a także H₂S,NH₃,SO₂,CH₄.

3.Miareczkowanie konduktometryczne

Metoda ta opiera się na wyznaczaniu punktu końcowego (PK)miareczkowania na podstawie zmian przewodnictwa miareczkowanego roztworu.Zmiany te wynikają ze wzrostu lub spadku stężeń jonów badanych oraz jonów o określonej ruchliwości na jony o ruchliwości innejniż jony pierwotne, obecne w roztworze. Zachodzi to np. podczas miareczkowań alkacymetrycznych. Podobnie jest podczas miareczkowań strąceniowych, kiedy jon strącany jest usuwany z roztworu w postaci trudno rozpuszczalnego związku.

4.Oscylometria - jest to konduktometria bezkontaktowa o wielkiej częstotliwości. W metodzie tej stosuje się prąd o częstotliwości kilkuset MHz, natomiast w konduktomertii zwyklej częstotliwość stosowanego prądu nie przekracza 100Hz. Drugą zasadniczą różnicą jest to, żeelektrody nie są wprowadzane do roztworu, stanowią one okładki kondensatora, wew. którego znajduje się naczynko z badanym roztworem. Naczynko może znajdować się również wew. spirali utworzonej z przewodnika, przez który płynie prąd wysokiej częstości. Istotną rolę tu odgrywa nie tylko przewodnictwo roztworu, ale również jego pojemność i indukcyjność(wykorzystanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej).Oscylometry są bardzo przydatne do pomiaru przewodności:wód silnie zanieczyszczonych, ścieków i osadów ściekowych, zawierających duże ilości osadów i związków powodujących korozję.

III.Potencjometria.

Potencjometria należy do metod elektroanalitycznych, które obejmują szereg technik pomiarowych, opartych na badaniu reakcji elektrodowych i procesów zachodzących między elektrodami. Podstawę metod elektroanalitycznych stanowi pomiar wielkości elektrycznych związanych ze stężeniem bądź całkowitą ilością oznaczanej substancji.

Metody potencjometryczne polegają na pomiarze siły elektromotorycznej (SEM) ogniwa złożonego z dwóch elektrod zanurzonych w badanym rozrtworze. Mierzona SEM zależy w określony sposób od stężenia składnika oznaczanego w roztworze. Podstawą pomiarów jest równanie Nernsta, z którego wynika funkcja analityczna:

C = f(SEM)_I=0

Zwykle odpowiedzialną za zmiany SEM jest jedna z elektrod, zwana wskaźnikową, której potencjał zależy od stężenia oznaczanego jonu.

-potencjometria bezpośrednia - oznaczanie stężenia interesującego nas składnika przez pomiar SEM ogniwa z odpowiednią elektrodą wskaźnikową, np. pomiar pH roztworów, oznaczanie za pomocą elektrod jonoselektywnych.

-miareczkowanie potencjometryczne - w którym wielkością mierzoną są zmiany siły elektromotorycznej ogniwa w czasie miareczkowania alkacymetrycznego, redoks lub strąceniowego.

2.Elektrody wskaźnikowe.

a)elektroda wodorowa - najczęściej jest to blaszka platynowa, pokryta czernią platynową, omywana gazowym wodorem pod ciśnieniem 1 atm, zanurzona do roztworu zawierającego jony H⁺ o aktywności równej jedności.
Reakcję przebiegającą na styku elektrody z roztworem określa równanie:

H₂ == 2H(Pt)== 2H⁺ + 2e

A jej potencjał E = E^° + 0,059 log [H⁺]

b)elektroda srebrowa - przygotowuje się ją zatapiając koniec drutu srebrnego w rurce szklanej. Może być ona używana do miareczkowań, w których stosuje się roztwory azotanu srebrowego.

c)elektroda chlorosrebrowa - przygotowuje się elektrolitycznie pokrywając elektrodę srebrową warstewką AgCl.

d)elektrody wyprowadzające elektrody obojętne w stosunku do roztworu, a służące tylko jako przewodnik prądu. W tym celu stosuje się elektrody z metali szlachetnych, przeważnie: elektrodę platynową lub złotą, a także elektrodę grafitową.

3. Elektrody jednoselektywne.

Istotnym elementem budowy tych elektrod jest membrana stala lub ciekła. Na potencjał elektrod jonoselektywnych składa się potencjał na granicy faz membrana - roztwór, uwarunkowany wymianą jonową między roztworem a membraną oraz potencjał dyfuzyjny, wynikający z procesów zachodzących w membranie lub w jej warstwie przylegającej do roztworu.W zależności od stanu skupienia fazy, tworzącej membranę EJS można podzielić na 3 grupy:

-jonoselektywne elektrody ze stalymi membranami

-jonoselektywne elektrody z ciekłymi membranami

-elektrody czułe na gazy

4. Elektroda szklana do oznaczenia pH

Działanie jej polega na powstawaniu potencjału na granicy zetknięcia się bardzo cienkiej membrany szklanej z roztworem zawierającym jony H^+.. Powstawanie potencjału membranowego wyjaśnia się na podstawie teorii granicy faz,tzn. wykorzystując teorię wymieniaczy jonowych. Szkło ma trojwymiarowy szkielet krzemianowy, składający się z atomów krzemu i tlenu. W szkielecie tym znajdują się dosyć ruchliwe kationy metali alkalicznych. Elektroda szklana przed użyciem musi być namoczona w wodzie. Podczas tej operacji cząstki wody wnikają do membrany i wytwarzają warstwę uwodnioną grubości 20 - 100 nm. Powstawanie tej warstwy jest warunkiem sprawnego funkcjonowania elektrody szklanej. Sumaryczną reakcję przebiegającą na granicy faz można opisać równaniem:

Na⁺ (szkło) + H⁺ (roztwór) = H⁺ (szkło) + Na⁺ (roztwór)

„Sucha” elektroda szklana zanurzona do roztworu wykazuje zmienny potencjał, który ustala się dopiero po pewnym czasie pozostawiania tej elektrody w roztworze. Prawdopodobnie powierzchnia szkła powoli dochodzi do stanu, w którym łatwa jest wymiana jonów H⁺ z jonami szkła.

a)zmienność potencjału asymetrii

Potencjał asymetrii stanowi część składową SEM ogniwa z elektrodą szklaną. Tworzy się on prawdopodobnie wskutek niewielkich różnic w ukształtowaniu powierzchni zew. i wew. membrany szklanej. Zmiany potencjału asymetrii występują w czasie i mogą być dość znaczne.

b)błąd kwasowy i zasadowy

W przypadku doskonałej elektrody odwracalnej względem jonu wodorowego istnieje liniowa zależność pomiędzy potencjałem i wartością pH roztworu. W roztworach silnie kwaśnych potencjał elektrody ma wartości dodatnie, a pH jest zbyt wysokie - występuje błąd kwaśny.

c)błąd sodowy

Wraz ze wzrostem pH uzyskuje się wartości mniejsze od prawidłowych. Gdy pH zwiększa się, błąd sodowy rośnie dla tego samego stężenia soli sodowych. Większemu stężeniu soli odpowiada większy błąd pomiaru.

5.Elektromotoryczna sprawność elektrody szklanej.

Zmiana wartości pH odpowiada zmianie potencjału elektrody określonej współczynnikiem k w równaniu:

E = E° - k pH

Zmiana wartości pH roztworu o jednostkę powinna odpowiadać zmianie potencjału elektrody o wartość 0,1984T, co w temp. 20C daję zmianę teoretycznie równą 58,1 mV.

a)elektrody jonoselektywne ze stałymi membranami

Membrany te charakteryzują się tym, że ich centra aktywne zdolne do reakcji wymiany jonowej są unieruchomione.

-elektrody halogenkowe - membrany wykonane są z halogenków srebra. Elektrody te pozwalają mierzyć aktywność anionu wchodzącego w skład membrany oraz aktywność kationu Ag⁺. Reagują one również na obecność anionów, które z kationem Ag⁺ tworzą sole trudniej rozpuszczalne od danego halogenku srebra.

-elektrody siarczkowe - membrany wykonywane są z monokryształu Ag₂S. Dobre przewodnictwo elektryczne i bardzo mała rozpuszczalność siarczku srebra. Jest ona czuła na anion siarczkowy i kation Ag⁺.

b)elektrody jonoselektywne z ciekłymi membranami.

Membranę tworzy substancja elektrodowa czynna, rozpuszczona w rozpuszczalniku organicznym, nie mieszającym się z wodą.

-elektroda wapniowa - membrana składa się z soli wapniowej diestru kwasu fosforowego, rozpuszczonej w alkoholu decylowym. Znaczna selektywność na jony wapniowe w obecności kationów litowców i innych kationów berylowców.

-elektroda azotanowa - zawiera jako substancję elektrodowo czynną roztwór dodatnio naładowanego kompleksu o-fenantroliny z kationem Ni²⁺ i charakteryzuje się znaczną selektywnością w stosunku do jonów NO₃^- i ClO₄^-.

c)elektrody czułe na gazy - mogą być stosowane do oznaczania: amoniaku, dwutlenku siarki, dwutlenku węgla, tlenku azotu. Cienka membrana wykonana z przepuszczalnego dla gazów tworzywa sztucznego, oddziela badaną próbkę od elektrolitu wew. o znanym składzie.

6. Wzorcowanie elektrody jonoselektywnej.]

Prawidłowość reagowania elektrody najlepiej można określić za pomocą wykresu wzorcowania lub reagowania elektrody. Wykres taki sporządza się na podstawie pomiarów potencjału elektrody w szeregu roztworów wzorcowanych, różniących się aktywnością danego jonu.

Nachylenie liniowej części krzywej jest stałe, określa czułość elektrody i może być opisane równaniem Nernsta. Dla jonów dwuwartościowych czułość elektrody będzie o połowę niższa aniżeli dla jonów jednowartościowych.

Poniżej zagięcia krzywej czułość elektrody ulega obniżeniu aż do granicy wykrywalności, która determinuje zakres pomiarowy każdej elektrody. Czynniki które mają wpływ na kształt krzywych: selektywność i zakłócenia, temp., wiek elektrody oraz wysokie zanieczyszczenia i stężenia w roztworze.

7. Wpływ temperatury.

Temp. wpływa przede wszystkim na nachylenie charakterystyki elektrody. Wzrost temp. powoduje wzrost nachylenia charakterystyki i zawężenia zakresu pomiarowego. Krzywe przecinają się w jednym punkcie, zdefiniowanym jako punkt izopotencjalny, charakterystyczny dla każdej elektrody.

8. Wpływ starzenia się elektrod.

Elektroda jonoselektywna podczas użytkowania ulega procesowi starzenia, który spowodowany jest głównie ubytkiem jonów z powierzchni membrany oraz zmianami zachodzącymi w obrębie jej sieci strukturalnej. Wpływ starzenia się elektrody na krzywą jej reagowania można sprowadzić do następujących objawów: obniżenie nachylenia charakterystyki, wzrost czasu reagowania, zawężenie procesu pomiarowego, wzrost rezystancji membrany jonoczułej.

9. Przygotowanie próbki.

Przygotowując roztwór do pomiaru trzeba ustalić odpowiednią wartość pH, siły jonowej oraz wyeliminować substancje zakłócające działanie elektrody.

---