14.10.2008

1

RNDr. Vlastimil DOHNAL, Ph.D.

www.marshotelonline.com/chemistry.JPG

Kolik obsahuje mykotoxinů?Kolik má dusíkatých látek?Jaký je poměr amylosa/amylopektin?Jaký je obsah beta-glukanů?

Kolik je účinné látky v tabletě?Jak čistá byla účinná látka?

Kolik má v sobě vitamínů?Obsahuje těžké kovy?Je skutečně pouze z pomerančů?Odkud pochází?

ûCO?¡ Kvalitativní analýza – identifikace, důkaz jedné či

více složek (prvky, funkční skupiny) ve vzorku.û KOLIK?¡ Kvantitativní analýza – stanovení množství látky ve

vzorku.û KDE?¡ Analytická topografie - rozložení analytu ve vzorku

(povrch, jádro, atd.)û STRUKTURA?¡ Strukturní analýza – prostorové uspořádání atomů v

molekule.

û Jednoduché testy x složité instrumentální analýzy

ûAnorganická, organická, fyzikální chemie, biochemie, fyzika atd.

û Základní výzkum (fundamental research)ûVývoj nových produktů (product

development)û Kontrola kvality (quality control)û Sledování polutantů (monitoring and control)û Lékové a klinické studie (medical and clinical

studies)

ûVýběr vhodné metody (method choice)ûOdběr vzorku (sampling)û Příprava vzorku k analýze (sample

preparation)û Separace (separations)ûMěření (measurement)ûValidace metody (validation)ûVyhodnocení výsledků (assessment of results)

14.10.2008

2

1. Identifikace problémuStanovení typu požadované informace

(kvantitativní, kvalitativní, charakterizace)Identifikace kontextu problému

2. Plánování experimentální částiUrčení kriterií (přesnost, správnost, rozsah koncentrací, citlivost, selektivita, cena, rychlostIdentifikace interferujících látekVýběr metodyUrčení validačních kriteriíVýběr metody odběru vzorku

3. Provedení experimentuKalibrace přístrojů a vybaveníStandardizace činidelSběr dat

4. Analýza experimentálních datRedukce či transformace datStatistické vyhodnoceníOvěření výsledkůInterpretace výsledků

5. Návrh řešeníExterní evaluace

ûAnalytický chemik musí být schopen navrhnout, provést a interpretovat měření.

ûVýběr a adaptace vhodné analytické chemie vyžaduje nejen výbornou znalost chemie, ale i schopnost pracovat s různými přístroji.

ûMěl by mít znalost statistického zpracování experimentálních dat.

ûVede si důsledně laboratorní deník.

http://www.hfd31.com/HFD31WEB%20SITE%20NEW/images/person%20silhouette.jpg

Skupina Měřená veličina (vlastnost)

Gravimetrie Hmotnost analytu či jeho stechiometrického produktu

Volumetrie

(odměrná analýza)

Objem odměrného roztoku činidla reagujícího s analytem

Spektrometrie Intenzita elektromagentického záření emitovaného či absorbovaného analytem

elektrochemie Elektrochemické vlastnosti analytu

Radiochemie Intenzita radioaktivního záření emitovaného analytem

Hmotnostní spektrometrie

Molekulární fragmenty vzniklé z analytu

Chromatografie Fyzikálně-chemické vlastnosti jednotlivých analytů po separaci

Termické Fyzikálně-chemické vlastnosti vzorku při zahřívání a chlazení

û Zlepšování citlivosti, přesnosti a selektivity instrumentálních metod

û Snižování ekonomické a časové náročnosti analýz

ûVývoj nedestruktivních metodûAutomatizace, laboratorní roboti

Přesnost Jak moc se liší výsledky opakované analýzy

Analýza (Analysis) Proces poskytující chemickou či fyzikální informaci o složkách vzorku nebo o vzorku samotném.

Analyt (Analyte) Složka vzorku, která nás zajímá.

Matrice (Matrix) Ostatní složky vzorku než ta, která nás zajímá.

Pozadí (Background) Signál produkovaný složkami matrice.

Slepý vzorek (Blind sample)

Kontrolní pokus u kterého se provádí stanovení stejně jako u reálného –kontrola čistoty reagencií…

Kalibrace (Calibration) Vztah mezi množstvím analytu a měřenou veličinou.

Koncentrace vyjadřuje množství analytu připadajícího na jednotkový objem či hmotnost roztoku.

Molární koncentrace Počet molů látky na jeden litr roztoku [M]

Normalita Počet ekvivalentů látky na jeden litr roztoku [N]. Záleži na konkrétní reakci. Např. H3PO4 má 1,2 nebo 3 ekvivalenty.

Molalita Počet molů látky na jeden kilogram roztoku. [m]

Váhová procenta Gram látky na 100 g roztoku. [% w/w]

Objemová procenta Mililitr látky na 100 ml roztoku. [% v/v]

Hmotnostně-objemováprocenta

Gram látky na 100 ml roztoku. [% w/v]

Parts per million Mikrogram látky na gram roztoku. U vodných roztoků lze i jakomiligram látky na litr roztoku. [ppm]

Parts per billion Nanogram látky na gram roztoku. U vodných roztoků lze i jako mikrogram látky na litr roztoku. [ppb]

14.10.2008

3

Jednotka Symbol Jednotka Symbol

Mol na litr mol.dm-3 Parts per trillion ppt

Ekvivalent na litr Normal, N Pikogram na kg pg.kg-1

Gram na litr g.dm-3 Pikogram na litr pg.dm-3

Parts per million ppm Procenta % (w/w, w/v, v/v)

Miligram látky na kg mg.kg-1 Milimol na 100 cm3 mM%

Miligram na litr mg.dm-3 Gram na 100 cm3 g%

Part per billion ppb Miligram na 100 cm3 mg%

Nanogram na kg ng.kg-1 Mikrogram na 100 cm3

µg%

Nanogram na litr ng.dm-3 Nanogram na 100 cm3

ng%

1 mol = 6,0221367 x 1023 částic

Hlavní složka Více jak 10%

Minoritní složka 0,01 – 10%

Stopové množství 1 – 100 ppm

Ultrastopové množství Méně jak 1 ppm

ûU některých reakcí se koncentrace mění v rozsahu několika řádů.

û Logaritmizace.û pX = - log (X)ûNapříklad pH = -log [H+]

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0d/Calibration_curve.gif

ûMetoda odběru vzorku musí zajistit odebrání reprezentativního vzorku.

http://toxics.usgs.gov/photo_gallery/photos/emer_cont/CO_Larry_sampling_Nederlandlagoon.jpg

û Před vlastním použitím analytické metody na reálné vzorky, je nezbytné demonstrovat její schopnost poskytovat akceptovatelné výsledky.

û Ideálně se standardními vzorky, které mají obdobné složení jako ty zamýšlené.

ûOpakované analýzy, přesnost, správnost.û Inter a intralaboratorní testy.

14.10.2008

4

ûPrůměrûMediánû standardní

odchylkaûRSDûVarianceûaj.

http://www.library.dtcc.edu/wilmlib/Statistics.gif

Chyba stanovení Jakákoliv systematická chyba, způsobující, že naměřená hodnota je příliš nízká či vysoká.

Chyba odběru vzorku Chyba způsobená nesprávným odběrem vzorku. Nehomogenitavzorku.

Chyba metody Chyba způsobená omezeními analytické metody použité k analýze vzorku.

Chyba měření Chyba způsobená omezeními vybavenía přístrojů použitých k měření.

Chyba osobní Chyba způsobená analytikem.

û Vyčíslená chemická rovnice vyjadřuje kvantitativnívztah mezi moly reaktantů a produktů.

û Zachování hmotnosti a náboje.û Tyto stechiometrické vztahy jsou základem mnoha

analytických výpočtů. û Má kvantitativní, selektivní a rychlý jednoznačný

průběh.û Většinou neproběhne zcela (rovnováha).

2 Fe3+(aq) + H2C2O4(aq) + 2 H2O(l) → 2 Fe2+(aq) + 2 CO2(g) + 2 H3O+(aq)

ûaA + bB ↔ cC + dD¡ A, B jsou reaktanty; C, D produkty

ûReakce spontánně probíhá směrem k nižší celkové energii.

ûGibbsova volná energie (t, p = konst.)û∆G = ∆H - T∆S ¡ ∆G < 0 (samovolně)¡ ∆G > 0 (neproběhne)¡ ∆G = 0 (rovnováha)¢ H – enthalpie – absorpce tepla¢ S – entropie – míra neuspořádanosti

û∆G = ∆G°+ RTlnQû∆G° - změna Gibbsovy volné energie za

standardních podmínek (298 K, 1 atm, čisté látky, roztoky 1 M)

ûQ = [C]c[D]d/[A]a[B]b

û [C] atd. jsou molární koncentrace

http://image018.mylivepage.com/chunk18/196345/300/jing%20jang.jpg

ûV rovnováze ∆G = 0û∆G°= -RTlnKû K – rovnovážná konstantaû K = {[C]c[D]d/[A]a[B]b}eq

û Pro reakci v rovnovážném stavu definuje K relativní koncentrace produktů a reaktantů.

14.10.2008

5

A + 2B ↔ AB2 K1 = [AB2]/[A][B]2

AB2 ↔ A + 2B K2 =1/K1 = [A][B]2/[AB2]

AB2 « AB + B K1 = [AB2]/[AB][B]

AB « A + B K2 = [AB]/[A][B]

AB2 ↔ A + 2B K = K1K2 = [A][B]2/[AB2]

û Bronsted a Lowry¡ Kyselina = donor protonů¡ Báze = akceptor protonů¡ Kyselina ↔ Báze + proton

û Lewis, 1923¡ Kyselina = akceptor elektronového páru¡ Báze = donor elektronového páru

ûDisociace = reakce kyseliny s rozpouštědlemû Síla kyseliny = ochota odevzdat proton

rozpouštědluûHCl(aq) + H2O(l) → H3O+(aq) + Cl-(Aq)ûH2O je báze, H3O+ konjugovaná kyselina, Cl-

konjugovaná báze HClû Silné kyseliny - HCl, HBr, HI, HNO3, HClO4,

H2SO4 (do prvního stupně)

ûNemohou kompletně předat svůj „kyselý“ proton rozpouštědlu.

ûZůstávají částečně nedisociované.¡ CH3COOH(aq) + H2O(l) ↔ H3O+(aq) + CH3COO-(aq)

ûRovnovážná konstanta = disociační konstanta kyseliny Ka¡ Ka = [H3O+][CH3COO-]/[CH3COOH]=1,75 10-5

ûVoda je v extrémním nadbytku, nepočítá se tedy.

ûBazicita vodných roztoků je měřítkem koncentrace hydroxidových iontů, OH-.

ûSilná báze je kompletně disociovaná.¡ NaOH(aq) → Na+(aq) + OH-(aq)

ûSlabé báze pouze částečně přijímají protony solventu, jsou chatakterizovány disociační konstantou báze, Kb.¡ CH3COO-(aq) + H2O(l) ↔ OH-(aq) + CH3COOH(aq)

ûVícesytné kyseliny a báze mohou mít více disociačních konstant.

û Jednosytné slabé kyseliny mají jeden „kyselý“ vodík, tj. jednu disociační konstantu.

û Vícesytné kyseliny (H3PO4, H2SO4, atd.) mají vícedisociačních konstant.

û H3PO4(aq) + H2O(l) ↔ H3O+(aq) + H2PO4-(aq)

¡ Ka1 = [H2PO4-][H3O+]/[H3PO4] = 7,11 x 10-3

û H2PO4-(aq) + H2O(l) ↔ H3O+(aq) + HPO4

2-(aq)¡ Ka2 = [HPO4

2-][H3O+]/[H2PO4-] = 6,32 x 10-8

û HPO42-(aq) + H2O(l) ↔ H3O+(aq) + PO4

3-(aq)¡ Ka3 = [PO4

3-][H3O+]/[HPO42-] = 4,5 x 10-13

û Ka1 > Ka2 > Ka3

14.10.2008

6

ûMohou být bázemi i kyselinami (přijmout odevzdat proton)

ûHCO3-(aq) + H2O(l) ↔ H3O+(aq) + CO3

2-(aq)ûHCO3

-(aq) + H2O(l) ↔ OH-(aq) + H2CO3(aq)

http://www.uga.edu/gm/301/images/masthyde.JPG

ûVoda je amfiprotní rozpouštědloûAutolýza vodyûH2O(l) + H2O (l) ↔ H3O+(aq) + OH-(aq)ûDisociační konstanta vodyû Kw = [H3O+][OH-] = 1,0000 x 10-14 (24 °C)ûVztah mezi H+ a OH-

http://www.nsf.gov/news/special_reports/water/images/molecules_md.jpg

Poznámka:pK(NH3) = 33, pK(HF) = 12

Sorensen (1909), „síla vodíku“ = puissance d´hydrogene

ûNeutrální pH[H3O+] = [OH-]Kw = [H3O+]2 = 1,00 x 10-14

[H3O+] = 1,00 x 10-7, tj. pH = 7,00pH menší než 7 = kyselépH větší než 7 = bazickéKw = Ka x Kb

û Běžně stačí ± 0,5 jednotky pHû Přesnější je porovnání s barevnými roztoky

indikátorů apod.û Potenciometricky¡ Článek nasycená kalomelová referentní

elektroda, skleněná indikační elektroda¡ Napětí v rovnovážném stavu¡ Nernstova rovnice¢ E=E0 + RT/nF . log a[H+]

14.10.2008

7

û Kyselina uhličitá¡ pKa1 = 4,3.10-7

¡ pKa2 =5,6 . 10-11

û Též zvané tlumivé roztoky, ústojné roztokyû Přídavek 0,1 ml HCl do 1 l vody změní pH ze

7 na 3û Přítomnost slabé kyseliny a její soli tento

účinek tlumí

ûSměs kyseliny octové a octanu sodnéhoûCH3COOH (aq) + H2O (l) ↔ H3O+ (aq) +

CH3COO- (aq)¡ Ka = [H3O+][CH3COO-]/[CH3COOH] = 1,75.10-5

ûpH ¡ = pKa + log [CH3COO-]/[CH3COOH] ¡ = 4,76 + log [CH3COO-]/[CH3COOH]

ûPři stejné koncentraci nedisociované kyseliny a její soli je pH rovno pKa (4,76).

û10% změna koncentrace acetátu vede ke změně pH na 4,67

û Je-li počáteční koncentrace slabé kyseliny a její soli větší než [H3O+] a [OH-], platí Henderson-Hasselbachova rovnice

û pH = pak + log c(NaAc)/c(HAc)ûU NH3 je to pak¡ pH = 9,24 + log cNH3/cNH4

+