Metoda analityczna - sposób wykrywania lub oznaczania składnika próbki

Oznaczanie - proces, w którym wyznaczamy zawartość danego składnika w badanej próbce

Wykrywalność (granica wykrywalności, limit detekcji) - najmniejsze stężenie lub ilość wykrywanego składnika w badanej próbce

Oznaczalność (granica oznaczalności) - najmniejsze stężenie lub ilość oznaczanego składnika w badanej próbce, przy których można jeszcze ten skł. oznaczyć daną metodą

Próbka reprezentatywna - to próbka, której struktura pod względem badanej cechy nie różni się istotnie od struktury populacji generalnej

Próbka laboratoryjna - przygotowana z próbki reprezentatywnej, przeznaczona do prowadzenia analiz

Próbka analityczna - wydzielona z próbki laboratoryjnej przeznaczona w całości do jednego oznaczenia lub wykorzystywana bezpośrednio do badania lub obserwacji

Próba ślepa (zerowa) - wykonana w war. identycznych jak analiza badanej próbki, ale bez dodawania subst. oznaczanej

Analit - skł. próbki, oznaczony w danym procesie analitycznym

Matryca - wszystkie skł., które występują w badanej próbce obok analitu

Oznaczanie obejmuje następujące etapy:

I pobranie próbki (najważniejszy etap)

II przygotowanie próbki

III rozt........ próbki (przeprowadzenie w roztwór)w przypadku subst. źle rozpuszczalnej należy poddać mineralizacji - gotowanie ze stężonymi substancjami

IV oddzielenie oznaczonego skł. od składników przeszkadzających lub stworzenie warunków. W których przebiegać może tylko reakcja stanowiąca podstawę oznaczenia

V pomiar

VI obliczanie wyniku

VII ocena wiarygodności otrzymanego wyniku

Pomiar - metoda krzywej kalibracyjnej

Liniową zależność wielkości mierzonej (Y)od stężenia (c) analitu przedstawia równanie:

Y=ca+b,

gdzie a - współczynnik

b - wartość stała będąca często wartością ślepej próby

Procedura:

1)Przygotowujemy serię r-rów wzorcowych o stężeniu: 0 (próba ślepa), 1, 2, 3, 4, ...

2)Dla każdego mierzymy wartość Y (znamy stężenie tych r-rów otrzymujemy zależność liniową)

3)Mierzymy wartość Y dla próbki badanej

Prosta pod kątem 45º; ma się załapać jak najwięcej punktów; pozostałe równomiernie rozłożone poniżej i powyżej

Pomiar - metoda dodatku wzorca

Możemy ją stosować jeśli zależność wartości mierzonej (Y) od stężenia (c) ma przebieg liniowy

Procedura:

1)mierzymy wartość Y badanej próbki

2)do tej samej próbki dodajemy znaną ilość substancji oznaczonej i powtórnie mierzymy wartość Y. Wzrost wartości jest proporcjonalny do ilości dodanego wzorca. Najczęściej wykorzystujemy w przypadku próbek, w których matryca ma wpływ na wynik.

(metoda wielokrotnego dodatku wzorca)

Błędy w analizie

Błąd gruby - charakteryzuje wynik znacznie odbiegający od pozostałych wyników. Najczęściej źródłem tego typu błędów są pomyłki osób wykonujących analizę. Wynikają one z nieuwagi.

Błąd przypadkowy - występuje w sytuacji gdy analiza jest wykonywana wielokrotnie, tą samą metodą i za pomocą tych samych przyrządów. Wyniki kolejnych pomiarów najczęściej różnią się. To zróżnicowanie ma charakter przypadkowy i z reguły nie można go wyeliminować.

Błąd systematyczny - odchylenie otrzymanego wyniku, które występuje stale podczas wykonywania oznaczeń dana metodą. Deformuje on wynik zawsze w tą samą stronę i o podobną wielkość.

Do błędów syst. należą:

1. metodyczne - wynikają z samej istoty metody i są niemożliwe do uniknięcia

2. aparaturowe

3. indywidualne - powodem jest niedoświadczenie osoby wykonującej analizę

Dokładność

Dokładność wskazuje jak blisko wartości prawdziwej znajduje się wynik pomiaru. Najczęściej wyrażana jest jako błąd względny lub bezwzględny.

Błąd bezwzględny (Ep) to różnica między wynikiem analizy a wartością rzeczywistą

E=x_i-x_p

gdzie: x_i - kolejne wartości, które tworzą serię powtórzonych pomiarów

x_p - wartość prawdziwa (lub średnia z pomiarów)

Błąd względny - stosunek błędu bezwzględnego do wartości rzeczywistej (lub średniej z pomiarów) najczęściej wyrażony w procentach.

Precyzja -charakteryzuje powtarzalność pomiarów, czyli rozrzut wyników uzyskanych w dokładnie ten sam sposób. precyzję opisują: odchylenie standardowe, .......... i współczynnik zmienności. Są one funkcjami odchylenia od średniej (d_i):

Ocena precyzji i dokładności metody

Podział metod instrumentalnych

1)elektrochemiczne - w metodach tych sygnał elektryczny powstaje w wyniku procesów zachodz. na elektrodach lub w roztworze pomiędzy nimi.

- potencjometria

- konduktometria

- kulometria (elektroliza)

- polarografia

2)spektroskopowe (optyczne) - oparte na pomiarze zmian właściwości promieniowania elektromagnetycznego oddziałującego z badaną materią. Promieniowanie to przechodząc przez próbkę może ulec: absorpcji, rozproszeniu lub odbiciu. Należą tu też metody oparte na pomiarze wartości promieniowana, emitowanego przez atomy (cząsteczki).

- spektrofotometria UV - VI s i IR

- absorpcyjna spektrometria atomowa

- refraktometria

- emisyjna spektrometria atomowa

- polarymetria

- nefelometria

- turbidymetria

3)chromatograficzne - przeprowadzenie oznaczonego składnika mieszaniny lub subst. przeszkadzających do innej fazy. Umożliwiają przede wszystkim rozdzielanie składników badanej próbki. Oznaczenie ilościowe lub identyfikacja jest etapem wtórnym.

- chromatografia gazowa

- chromatografia cieczowa

4) radiometryczna - związane z efektami naturalnej lub sztucznej promieniotwórczości

REFRAKTOMETRIA

Światło padające na powierzchnię oddzielającą od siebie dwa ośrodki przezroczyste częściowo ulega na granicy tych ośrodków odbiciu, a częściowo przechodzi do drugiego, zmieniając na powierzchni granicznej kierunek biegu.

Jeśli rozchodzi się w tych ośrodkach z różną prędkością, wtedy następuje załamanie będące wynikiem zmiany długości fali świetlnej.

Zjawisko odbicia i załamania ujął ilościowo Snellins:

1)promień padający, odbity, załamany oraz prosta prostopadła do płaszczyzny rozgraniczającej obydwa ośrodki w punkcie padania promienia leżą w jednej płaszczyźnie.

2)Kąt padania = kąt odbicia

3)Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest dla danych dwóch ośrodków wielkością stałą, zwaną współczynnikiem załamania lub współczynnikiem refrakcji (n)

Ośr. Optycznie rzadszy

Jeśli kąt padania L zwiększy się do 90º wówczas kąt załamania również zwiększy się i osiągnie wart. maksym. Zwana kątem granicznym.

Wartość n zależy od:

- długości fali użytego światła (dyspersja)

- temperatury

- ciśnienia

gdzie: r_w - refrakcja właściwa

d - gęstość

wzór

gdzie: R_m - refrakcja molowa

M - masa molowa

Do pomiaru najczęściej wykorzystujemy metodę krzywej kalibracyjnej.

Zastosowanie:

- oznaczanie białka w surowicy krwi

- oznaczanie cukru

- oznaczanie tłuszczu

- badanie środków leczniczych, spożywczych

- określanie składu mieszanin dwuskładnikowych

POLARYMETRIA

Światło jest falą elektromagnetyczną, której drgania zachodzą we wszystkich możliwych kierunkach. Jeśli zostaną one uporządkowane i zachodzą w jednej płaszczyźnie, to uzyskamy św. spolaryzowane.

Metody otrzymywania światła spolaryzowanego:

- odbicie światła od ośrodka o współczynniku załamania n pod kątem Brewstera, czyli kątem padania, przy którym promień odbity jest prostopadły do promienia załamanego.

- zjawisko dwójłomności - promień światła nie spolaryzowanego padający na pewne substancje anizotropowe rozdziela się na dwa promienie spolaryzowane w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych.

- zjawisko dichroizmu (wybiórczego pochłaniania) promienia zwyczajnego i nadzwyczajnego w ośrodku anizotropowym

W praktyce światło spolaryzowane otrzymujemy stosując pryzmaty Nicola.

W metodzie polarymetrii mierzymy wartość kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo. Zdolność skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego mają subst. optycznie czynne. Sa to subst. Nie posiadające elementów symetrii. Mogą skręcać płaszczyzną polaryzacji w lewo lub w prawo.

( Recennet - nie skręca, równa molowo ilość izomerów prawo i lewo skrętnych)

Wart. kąta skręcania zależy od:

- długości fali użytego światła

- temperatury

- grubości warstwy badanego roztworu

Wielkością charakterystyczną dla każdej substancji jest skręcalność właściwa:

gdzie: L - zmieniony kąt skręcania płaszczyzny polaryzacji przez badana próbkę

ℓ - grubość próbki badanej

d - gęstość próbki

Pomiar - krzywa kalibracyjna

Schemat polarymetru płócieniowego trójpolowego

H₂O - nie jest czynna optycznie wtedy w okularze

Sacharoza - środkowe pole się zmieni bez poruszania pokrętła

Analizator jest obrotowy.

Zastosowanie:

- wyznaczanie sacharozy

- stężenia glukozy

identyfikacja i oznaczanie środków leczniczych, syntetycznych i naturalnych zw. organicznych

- badanie równowagi i mechanizmów reakcji

Spektroskopia w ultrafiolecie i w świetle widzialnym (UV - VIS)

Spektroskopia UV - VIS polega na pomiarach absorpcji przez cząsteczki promieniowania ultrafioletowego w zakresie 200 - 400nm i widzialnego w zakresie 400 750nm.

Absorpcja promieniowania z zakresu UV lub VIS może być powodem przejścia elektronów w cząsteczce ze stanu podstawowego do wzbudzonego. Cząst. absorbuje promieniowanie UV - VIS wówczas, gdy występuje w niej grupa chromoforowa.

Promieniowanie UV - VIS nie jest na tyle silne, że wzbudza elektron.

Do najważniejszych grup chromoforowych należą:

- azowa - N=N-

- nitrozowa - N=O

- etylenowa - C=C-

Czynnikiem decydującym o wielkości absorpcji jest charakter grup chromoforowych występujących w cząsteczkach. Większa ich liczba powoduje nie tylko silniejszą absorpcję ale również przesunięcie maximum absorpcji w kierunku fal dłuższych. Przesunięcie maximum absorpcji może być wywołane obecnością grup auksochromowych. Nie wywołują barwy, ale oddziałują na chromofory, zwiększając intensywność absorpcji. Do najważniejszych należą: OH, NH₂, CH₃,O-CH₃, NH-CH₃.

I Prawo absorpcji ( prawo Lamberta)

gdzie: A - absorbancja (zdolność pochłaniania)

I_o - natężenie wiązki promieniowania monochromatycznego padającego

I - natężenie promieniowania przechodzącego

k - współczynnik absorpcji

ℓ - grubość warstwy pochłaniającej

Absorbancja jest proporcjonalna do grubości warstwy absorbującej, jeśli wiązka promieniowania monochromatycznego przechodzi przez jednorodny ośrodek absorbujący (monochromatyczne - o jednakowej długości)

II Prawo absorpcji (Lamberta - Beera)

Jeżeli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika jest równy zeru, to absorpcja wiązki promieniowania monochromatycznego przechodzącej przez jednorodny r-r jest wprost proporcjonalna do stężenia r-ru c i do grubości warstwy absorbującej ℓ.

Jeśli c

I i II prawo dotyczyły r - rów o jednym składniku

Odstępstwa od prawa Lamberta - Beera:

a)chemiczne:

- r - ry stężone

- reakcje chemiczne (np. polimeryzacji)

b)aparaturowe:

- brak monochromatyczności

- występowanie promieniowania rozproszonego

III Prawo absorpcji (addytywności absorpcji)

A=A₁+A₂+...+A_n

gdzie: A₁+A₂+…+A_n - absorbancja poszczególnych składników

Absorbancja r - ru wieloskładnikowego równa się sumie absorbancji poszczególnych składników.

Dobór optymalnych warunków oznaczania:

- kalibracja przyrządu

- przygotowanie próbek (temp.pA, jednorodność, rozpuszczalnik dobrany tak, aby nie absorbował w zakresie pomiaru)

- ustalenie analitycznej długości fali

Metoda krzywej kalibracyjnej lub dodatku wzorca

1- źródło światła (żarówka np. halogenowa lub wolframowa)

2- szczeliny

3- siatka dyfrakcyjna

4- element wirujący

5- próbka

6- odnośnik

7- detektor (zmiana sygnału świetlnego na sygnał elektryczny)

Zastosowanie:

Analiza jakościową: widmo absorpcyjne jest cechą charakterystyczną każdego związku chemicznego.

Analiza ilościowa:

- oznaczanie kationów metali

- anionów nieorganicznych

- związków organicznych

4) Spektrofotometria w podczerwieni IR

Promieniowanie IR obejmuje szerszy przedział długości fali niż UV-VIS. Zakres 0,8 - 300µm

Widma absorpcyjne w IR powstają w wyniku zmian energii oscylacyjnej i rotacyjnej.

Oscylacje atomów są związane ze strukturą cząsteczki.

Drganie walencyjne i deformacyjne cząsteczki wody.

Aby zachodziło odpowiednie drganie zależy od dostarczenia odpowiedniej energii.

Prawa absorpcji są spełnione także w podczerwieni.

Pomiar - metoda krzywej kalibracyjnej

Schemat aparatury

Promieniowanie IR bardzo słabo przechodzą przez szkło i kwarc - więc pryzmat czy kuwety muszą być wykonane z KBr lub NaCl - konieczność podpięcia sprzętu pod prąd przez 24h/dobę aby były suche.

Zastosowanie:

Analiza jakościowa - identyfikacja związków (organicznych)

Analiza ilościowa - ilościowe oznaczanie zw. org.

5) absorpcyjna spektrometria atomowa (AAS) (ASA)

wykorzystuje zjawisko absorpcji promieniowanie elektromagnetycznego przez swobodne atomy. Oparta jest na 3 założeniach:

a)źródłem linii absorpcyjnych w widmie są swobodne atomy a nie ich związki

b)swobodne atomy mogą absorbować promieniowanie o długościach fali które mogą same emitować.

c)otrzymane widmo absorpcyjne jest charakterystyczne dla danego rodzaju atomów.

Próbka - zwykła ciecz

Absorpcja w met. AAS jest zależna od liczby swobodnych atomów N w środowisku absorbującym.

Również zależność liniowa.

Pomiar - krzywa kalibracyjna

Atomu gazu bombardują katodę a ta wysyła promieniowanie o charakterystycznej długości.

1. źródło wzbudzania

2. atomizer

3. monochromator

4. detektor

5. wzmacniacz

Bez próbki na wykazie linia prosta.

Po dodaniu próbki do płomienia na wykresie pojawia się pik pochodz. od oznaczonego pierwiastka

F - AAS GF - AAS

Atomizer z kuwetą grafitową.

Piec zasilany prądem o wysokim natężeniu 2000 - 2500 ºC

Zastosowanie:

Analiza ilościowa - oznaczanie pierwiastków metalicznych

POTENCJOMETRIA

Met. potencjometr. polegają na pomiarze różnic potencjałów elektrochemicznych między elektrodami zanurzonymi w analizowanych roztworach.

Jedną jest el. wskaźnikowa (potencjał zależy od stężenia oznaczonego składnika). Drugą el. odniesienia, której potencjał w czasie trwania pomiaru nie ulega zmianie.

Schemat ogniwa: (ZnCu)

Potencjał elektrody jest związany z powstawaniem podwójnej warstwy elektrycznej na granicy faz elektroda/ elektrolit.

Równanie Nernsta:

E - potencjał el.

Eº - standard. pot. el.

R - stała gazowa 8,314 J · K^-1 · mol^-1

F - stała Faradaya

T - temp. [K]

z - liczba elektronów biorących udział w reakcji elektrochemicznej

l_n[Meⁿ⁺] - logarytm naturalny ze stężenia jonów

Elektrodą (półogniwem) nazywamy układ redoks złożony z metalu będącego przewodnikiem prądu elektrycznego, oraz roztworu zmieniającego określone jony w formie utl. lub zredukowanej.

Elektroda szklana (wskaźnikowa)

Czuła na stężenie H⁺, używana do mierzenia pH r-r wewn. - 0,1... HCl

Elektroda chlorosrebrowa - elektroda wzorcowa stosowana w pomiarach elektrochemicznych. Zbudowana z metalicznego srebra (w formie drutu lub płytki) pokrytego warstwą chlorku srebra (AgCl), zanurzonego w nasyconym roztworze chlorku potasu. Jej potencjał standardowy związany z reakcją elektrodową:ΑgCl + e^- → Ag⁰ + Cl^-

Elektroda kombinowana (wskaźnikowa i odniesienia) el. szklana obudowana dodatkową warstwą szkła, roztwór KCl + druga el. chlorosrebrowa

Elektroda kalomelowa (odniesienia) obecność Hg₂Cl₂ - zapewnia stały potencjał.

Elektroda chlorosrebrowa (odniesienia)

Metody potencjometryczne:

a)Bezpośrednie - w których różnica potencjałów między elektrodami zależy od stężenia oznaczanej substancji (pH metria, oznaczanie jonów za pomocą elektrod jonoselektywnych)

b)Miareczkowanie potencjometryczne - bada się zmiany potencjału w zależności od objętości odczynnika miareczkującego po wykreśleniu funkcji E=f(V) wyznacza się PK i oblicza ilość subst. oznaczanej.

c)Miareczkowanie polega na dodawaniu określonymi porcjami titranta do r-ru oznaczanej substancji. Określenie PK odbywa się na podstawie zmian potencjału elektrody wskaźnikowej. W miar. potencjometrycznym, aby wyznaczyć PK konieczne jest wykreślenie krzywej oraz wyznaczenie PK odpowiednią metodą.

Zastosowanie:

- pomiar pH

- oznaczenie jonów Cl^- za pom. el. jonosel.

- oznaczenie jodków obok chlorków metoda miareczkowania wytrąceniowego

- oznaczenie kwasu solnego, octowego

- oznaczenie jonów żelazowych metodą miareczkowania redoks.

Elektroliza - rozkład elektrolitu pod wpływem przepływającego przez niego prądu stałego.

Elektrograwimetria - metoda wagowego oznaczanie pierwiastków w procesie elektrolizy.

Pojęcia stosowane zamiennie

Schemat ukł. do elektrolizy

Zależność natężenia prądu od napięcia - Er napięcie rozkładowe (od tego napięcia przebiega proces elektrolizy)

Er - najmniejsze napięcie, które musi być przekroczone aby elektroliza zaczęła przebiegać z szybkością mającą znaczenie praktyczne.

w praktyce powiększone o nadnapięcie)

Nadnapięcie zależy od:

- rodzaju elektrod

- stanu ich powierzchni

- rodzaju jonów

- gęstości prądu

- temperatury

Polaryzacja elektrod - zmiana potencjału elektrody podczas przepływu prądu (w drugą stronę):

- chemiczne

- stężeniowa

I prawo elektrolizy

Masy substancji wydzielonych na elektrodach (lub ilość substancji, która uczestniczyła w reakcji elektrochemicznej) w czasie elektrolizy są proporcjonalne do wartości ładunku przepływającego przez roztwór.

m = k Q = k I t

m - masa substanji

k - współczynnik proporcjonalności, nazywany równoważnikiem elektrochemicznym danej substancji [g·C^-1]

Q - ładunek elektryczny [C]

I - natężenie prądu [A]

t - czas elektrolizy [s]

Równoważnik elektrochem. - m subst.

II prawo elektrolizy

Jednakowe ładunki elektryczne wydzielają na elektrodach z różnych elektrolitów masy substancji proporcjonalne do ich równoważników elektrochemicznych.

Techniki prowadzenia elektrolizy:

- wewnętrzna (schemat)

- klasyczna przy stałej różnicy potencjałów (schemat)

- z kontrolowanym potencjałem (schemat)

Jak przebiega elektroliza wewnętrzna...

Wady: mała szybkość, mała wydajność.

Elektrolizę klasyczną wykorzystujemy w analizie ilościowej pojedynczych subst.

Najczęściej elektrody platynowe.

R - r jest mieszany i podgrzewany - elektroliza przyspieszona.

Elektroliza z kontrolowanym potencjałem znalazła zastosowanie przede wszystkim do rozdzielania metali.

KONDUKTOMETRIA

Natęż. prądu płyn. przez przewodnik

Opór przewod. Metalowego:

Po przekształceniu:

W przypadku badania elektrolitów najczęściej stosujemy przewodność elektryczną (G):

Jednostką jest simens 1S=1Ω^-1

Natomiast przewodnością właściwą (k) roztworów elektrolitów nazywamy odwrotność oporu właściwego:

Jest to przewodność słupa elektrolitu o długości 1cm i przekroju 1cm².

Przewodność molowa

Prawo Kohlneusha

Przewodność molowa wzrasta wraz z rozcieńczeniem roztworu do stałej wielkości zwanej graniczną przewodnością molową

Przewodność zależy od:

- stężenia roztworów elektrolitów

- temperatury

- ruchliwości jonów

Zastosowanie

- konduktometria bezpośrednia

- miareczkowanie konduktometryczne

---