nb!!!husk$obligatorisk$ kjm2400’ analytisk’kjemi’ · 2 velkommen til laboratoriekurset i...
TRANSCRIPT
1
NB!!! Husk obligatorisk fremmøte til aller første lab-‐dag kl 11.00
KJM2400 Analytisk kjemi
Grunnkurs
Laboratorieøvelser
KJEMISK INSTITUTT Det Matematisk-‐Naturvitenskapelige fakultet UNIVERSITETET I OSLO Vår 2015
2
Velkommen til laboratoriekurset i KJM2400 Grunnkurset i analytisk kjemi er et kurs for alle som tenker seg videre studier i kjemi. Det er et nyttig kurs, og det er det første kurset hvor det stilles krav til kvaliteten på det arbeidet som utføres på lab’en (i form av OM-grenser, se s. 7 og 14). Gode arbeidsrutiner fra dette labkurset vil du kunne glede deg over i mange senere sammenhenger, selv om du ikke velger å fortsette med vårt videregående emne i analytisk kjemi (KJM3400). I dette labheftet finner du en mengde sentral og nyttig informasjon. I tillegg til beskrivelse av laboratorieøvelsene er SIDE 7 svært sentral. Videre finner du: Informasjon tilknyttet innlevering av analyseresultat (s. 13) Forsøk på å beskrive rapportføringens edle kunst (s. 15-16) Viktige begreper og terminologi i analytisk kjemi (s. 17-20) Vi ønsker deg VELKOMMEN til lærerike, utfordrende og morsomme uker på lab’en vår. Labpersonalet Side
3
Innholdsfortegnelse
Pensum 4 Oversikt over analyseoppgaver 7 Estimert tidsforbruk for de ulike oppgavene Syrer/baser
7 9
Daglig rutine og ordensregler 10 HMS 11 Dimensjonering 13 Innlevering av analyseresultat 14 Kalkulatorer 14 Vurdering av analysefeil 15 Hvordan unngå feil 15 Rapportføring 16 Viktige begreper i analytisk kjemi 18 Kvantitativ bestemmelse ved instrumentelle metoder 22 Beregninger vha Excel 24 Laboratorieøvelser 1 Kalibrering av volumetrisk utstyr
2 Bestemmelse av syrekonsentrasjon i en ukjent prøve ved syre-‐base
titrering
3 Bestemmelse av vanninnholdet i karameller ved Karl Fischers metode
4 Bestemmelse av fosfat i vann ved molekylabsorpsjons-‐spektrometri
5 Bestemmelse av magnesium i vann ved flammeatomabsorpsjonsspektrometri
6 Kvalitativ og kvantitativ bestemmelse av ftalater ved gass-‐kromatografi (GC) – flammeionisasjonsdeteksjon (FID)
7 Kvantitativ bestemmelse av koffein ved omvendt fase væskekromatografi med UV-‐deteksjon
NB! Opplysninger av betydning for hver enkelt lab. oppgave står på to forskjellige steder i læreboken: 1. under omtalen av de enkelte metoder 2. kap. 2
4
Pensum i KJM2400 Labheftet ca 50 sider Egenproduserte forelesningsnotater + Fra boken "Quantitative Chemical Analysis" av Harris (8. utg.) ca 200 sider Kap. 0. The Analytical Process – 7 s (egenstudium). 0-‐2.The analytical chemist`s job 0-‐3. General steps in a chemical analysis Kap. 1. Measurements – hele: 12 s (delvis egenstudium) 1-‐1. SI units 1-‐2. Chemical concentrations 1-‐3. Preparing solutions 1-‐4. Stoichiometry calculations 1-‐5. Introduction to titrations Kap. 2. Tools of the Trade – hele: 19 s (2.10 og 2.11 – 5 s -‐ er introduksjon til Excel (egenstudium) 2-‐1. Safe, ethical handling of chemicals and waste 2-‐2. The lab notebook 2-‐3. Analytical balance 2-‐4. Burets 2-‐5. Volumetric flasks 2-‐6. Pipets and syringes 2-‐7. Filtration 2-‐8. Drying 2-‐9. Calibration of volumetric glassware 2-‐10. Introduction to Microsoft Excel 2-‐11.Graphing with Microsoft Excel Kap. 3. Experimental Error – hele: 13 s 3-‐1. Significant figures 3-‐2. Significant figures in arithmetic 3-‐3. Types of error 3-‐4. Propagation of uncertainty from random error 3-‐5. Propagation of uncertainty from systematic error Kap. 4. Statistics and Spreadsheets – hele: 18 s 4-‐1. Gaussian distribution 4-‐2. Confidence intervals 4-‐3. Comparison of means with Student`s t 4-‐5. Comparison of standard deviation with the F test 4-‐6. t test with a spreadsheet 4-‐6. Grubbs test for an outlier 4-‐7. The method of least squares (only page 83 and Fig. 4-‐11) 4-‐8. Calibration curves
5
Kap. 5. Quality assurance and calibration methods -‐ 5 s Box 5-‐1 Control charts 5-‐3. Standard addition 5-‐4. Internal standard Kap. 10. Acid-‐Base titrations (ca. 2 sider) 10-‐8. Kjeldahl nitrogen analysis Kap. 14. Electrodes and Potensiometry ca. 25 sider 14-‐1. Reference electrodes (unntatt box 14-‐1) 14-‐2. Indicator electrodes 14-‐3. What is a junction potential? 14-‐4. How ion-‐selective electrodes work 14-‐5. pH measurements with a glass electrode 14-‐6. Ion-‐selective electrodes 14-‐7. Using ion-‐selective electrode 14-‐8. Solid-‐state chemical sensors Kap. 16. Electroanalytical techniques (ca. 2 sider) 16-‐6. Karl Fischer Titration of H2O. (385-‐386) Kap. 17. Fundamentals of Spectrophotometry (ca. 17 sider) (Box 17-‐2 og 17-‐3 utgår) 17-‐1. Properties of Light 17-‐2. Absorption of Light 17-‐3. Measuring Absorbance 17-‐4. Beer`s Law in Chemical Analysis 17-‐6. What happens When a Molecule Absorbs light? 17-‐7. Luminescence Kap. 19. Spectrophotometers (ca 10 sider) (Box 19-‐1 og 19-‐2 utgår) 19-‐1. Lamps and lasers: Sources of Light 19-‐2. Monochromators 19-‐3. Detectors Kap. 20. Atomic Spectroscopy (ca 18 sider) 20-‐1. An Overview 20-‐2. Atomization: Flames, Furnaces, and Plasmas 20-‐3. How Temperature Affects Atomic Spectroscopy 20-‐4. Instrumentation 20-‐5. Interference 20-‐6. Inductively Coupled Plasma – Mass Spectrometry Kap. 22. Introduction to analytical separations (ca. 17 sider) 22-‐1. Solvent extraction (4 s)
6
22-‐2. What is chromatography? (2 s) 22-‐3. A plumber`s view of chromatography (4 s) 22-‐4. Efficiency of separation (6 s) 22-‐5. Why bands spread. kun s. 514-‐517 (1 s) Kap. 23. Gas chromatography (ca. 11 sider) 23-‐1. The separation process in gas chromatography (7 s); s. 565-‐569 og s. 573-‐575 23-‐2. Sample injection s. 577-‐578 til An alternative means of ...... (1 s) 23-‐3. Detectors – kun flame ionization detector s. 581 (1 s) og MS s. 582-‐584 (2 s) Kap. 24. High performance liquid chromatography (ca. 13 sider) 24-‐1. The chromatographic process s. 596-‐507 unntatt box 24-‐1 og 24-‐2 (10 s) 24-‐2. Injection and detection in HPLC s. 611-‐613 (til Evaporative Light-‐scattering detector) (3 s) Kap. 25. Chromatographic methods and capillary electrophoresis (ca. 6 sider) 25-‐5. Principles of capillary electrophoresis; sidene 650-‐655 unntatt box 26-‐2 (ca 5 sider) 25-‐6: Conduction capillary electrophoresis; side 662 (fra Micellar electrokinetic chromatography) -‐ 663 (til Sweeping.....) Kap. 26. Gravimetric analysis, precipitation, titrations and combustion analysis (ca. 3 sider) 26.4. Combustion analysis (ca. 3 sider) Kap. 27. Sample Preparation (ca. 11 sider) s. 694-‐700 ca. 2 s 27-‐2. Dissolving Samples for Analysis. (705-‐710; ca 5 sider + tabeller) 27-‐3. Sample Preparation Techniques. (710-‐715 til preconcentration; ca. 5 sider) Den første siden i hvert kapittel (med grønnblå bakgrunn) er ikke pensum. Egenprodusert: Forelesningsnotater om titrering Viktige begreper i analytisk kjemi (6 sider, men noe overlapp med kap. 0 i Harris)
7
Oversikt over analyseoppgaver Opp-‐gave nr.
Bestemm-‐else av
Prøver Kons. i prøve med kjent innhold
Kons. i reell prøve
Resultat angis som
Metodens st.avvik (%)
Tillatt feil (OM-‐grense) (%)
2 svak syre vann 0,3 – 0,6 M M 0,2 2,0 pKa 0,1 pK-‐enhet 3 H2O yoghurt 600-‐800mg
vann/g prøve mg vann/g prøve
-‐*)
4 PO43-‐ vann og
cola 2-‐10 μg/mL P 150-‐200
μg/mL P μg/mL P 0,5 4,0
5 Mg vann og mineral-‐vann
2-‐5 μg/mL Mg 0,3-‐35 μg/mL Mg
μg/mL Mg
0,5 4,0
6 ftalater løsningK 0,2-‐1,0 mg/mL mg/mL ftalat 1,0 TBA 7 koffein vann og
te 100-‐500 µg/mL koffein
230-‐270 µg/mL koffein
μg/mL koffein ≤ 1,0 5,0
*) Ikke etablert ennå K -‐ Oppbevares kaldt av lab. personalet. Estimert tidsforbruk for de ulike oppgavene Det estimerte tidsforbruket for de ulike oppgavene er kun ment som en veiledning for planleggingen under kurset, og viser hvor mye tid gjennomsnittet bruker per oppgave. Noen vil bruke lengre tid, mens andre vil bli ferdig raskere og dette henger sammen med forberedelse og ferdigheter. Prelab må selvfølgelig være godkjent på forhåndJ.
Oppgave 1
Krever ingen prøveopparbeidelse. Utførelsen av selve oppgaven tar vanligvis ca. 3 -‐ 4 timer.
Oppgave 2
Tillagingen av løsningene tar vanligvis ca. 1-‐1,5 time. Dersom du har reservert første økt på autotitratoren, må aktuelle løsninger være laget senest dagen i forveien. Det er satt av 2,5 time på autotitratoren. Tidsforbruket på de manuelle titreringene er ca. 2,5 – 3,5 time. Det totale tidsforbruket på denne oppgaven er da ca. 7,5 time.
8
Oppgave 3
Beregn ca. 30 min til test av løsningsmidlene. Det er satt av 2,5 time på instrumentet. Det totale tidsforbruket på denne oppgaven er ca 3 timer.
Oppgave 4
Tillagingen av løsningene tar vanligvis ca. 2,5 – 3 timer. Dersom du har reservert første økt på instrumentet, vask aktuelt glassutstyr senest dagen før. Sørg også for å møte opp til åpningstiden, slik at du har tilstrekkelig med tid til å lage løsningene. Det er satt av 2 timer på instrumentet. Det totale tidsforbruket på denne oppgaven er ca. 5 timer.
Oppgave 5
Tillagingen av løsningene tar vanligvis ca. 1,5 – 2,5 time. Dersom du har reservert første økt på instrumentet, må aktuelle løsninger være laget senest dagen i forveien. Disse løsningene kan også lages i god tid før selve analysen på instrumentet. Det er satt av 2 timer på instrumentet. Det totale tidsforbruket på denne oppgaven er ca. 4,5 time.
Oppgave 6
Krever ingen prøveopparbeidelse. Det er satt av 3 timer på instrumentet.
Oppgave 7
Tillaging av løsningene tar vanligvis 1,5 – 2 timer. Dersom du har reservert første økt på instrumentet, må aktuelle løsninger være laget senest dagen i forveien. Det er satt av 3,5 time på instrumentet. Det totale tidsforbruket på denne oppgaven er ca. 5,5 time.
9
Syrer/baser Informasjon om molaritet, tetthet, prosent (vekt/vekt og vekt/volum)
Navn Formel Molaritet (mol/L)
Tetthet (kg/L)
Prosent (vekt/vekt)
Prosent (vekt/volum)
Ammoniakk NH3 13,4 0,91 25 22,8 Eddiksyre CH3COOH 17,5 1,05 100 105,0 Flussyre HF 27,8 1,16 48 55,7 Fosforsyre H3PO4 14,7 1,70 85 145,0 Perklorsyre HClO4 11,6 1,67 70 117,0 Maursyre HCOOH 12.1 50 Salpetersyre HNO3 13,0 1,37 60 82,2 Salpetersyre HNO3 14,4 1,40 65* 91,0 Salpetersyre HNO3 15,7 1,41 70 98,7 Salpetersyre HNO3 24,1 1,52 100 152,0 Saltsyre HCl 9,5 1,15 30 34,5 Saltsyre HCl 10,2 1,16 32 37,1 Saltsyre HCl 12,1 1,19 37* 44,0 Svovelsyre H2SO4 18,0 1,84 96 177,0 * Den konsentrasjonen som brukes mest
10
DAGLIG RUTINE OG ORDENSREGLER Generelt
• Studenten får en fast laboratorieplass, som disponeres under hele kurset. • Labøvelsene skal utføres selvstendig, og hver enkelt får utlevert forskjellige prøver
for analyse. På oppg. 6 og 7 er det imidlertid tilgang til å samarbeide om opptak av kalibreringskurve, og på oppgave 3 skal to og to arbeide sammen.
• Det er kølister på alle oppgaver unntatt oppgave 1. Disse må benyttes!
• Alle rapporter må være levert til førstegangsinnlevering før OM-‐uken!
Dvs. senest kl. 1600 mandag i OM-‐uken. (Det gir tid til å gjøre en OM og resultatet blir sjekket før OM-‐uken.)
• For å få godkjent lab. kurset må alle analyseresultatene være levert og godkjent
innen kl. 16.30 siste kursdag. Lab. plassen skal være kontrollert og godkjent av lab. personell innen kl. 16.30 siste kursdag. Alle rapporter skal være godkjent en uke etter siste kursdag.
Daglig rutine Åpningstider; tirsdag: kl 11.00–18.00 onsdag: kl 11.00–19.30 (stenger kl 1800 de tre siste ukene; 19.30 kun etter avtale) torsdag: kl 11.00–16.30 Utlevering av prøve. (Alle oppgavene har individuelle prøveløsninger.) For å få en oppgave utlevert, legges en utfylt prøvebestillingslapp (se s. 5 og eksempel på analysebestillingslapp i Fig 1. nedenfor) innen stengetid labdagen før du ønsker prøven utlevert (gjelder altså labdager, men ikke andre dager) utenfor luken på gangen. Utlevering av løsninger/stoff skjer før start av labtid, labdagen etter du har levert. For eksempel, trenger du en prøve til en labdag-‐tirsdag, må du levere lapp lagdagen før (dvs. en labdag-‐torsdag). Man kan ha inntil 3-‐tre-‐ ikke-‐innleverte analyser (= analyserapport + rapport) ute av gangen. Ikke kast/hell ut utlevert prøve før du har fått analyseresultatet godkjent. Innlevering av analyseresultat foregår ved at analyserapportskjemaet (som finnes i Fronter) påføres resultatet og leveres som første side i rapporten (som skal være ferdigskrevet) i Fronter. Det er fornuftig å ha en liten notatbok, der alle primærdata (vekt, volum etc) føres inn.
11
Prøvebestilling/Sample order
Navn og plassnummer/ Name and lab. place number:
Oppgavenummer/ Assignment number:
Bestemmelse av/ Determination of:
Viktig informasjon (Skal kun utfylles av
lab.personalet og skal overføres til det elektroniske analyseresultat dokumentet)/
Important information (should only be noted by the staff and must be included in the electronic
analysis result documnet):
Dato for analysen og evnt. samarbeidspartner/ Date of analysis and possible cooperation partner
Fig 1. Eksempel på utfylt prøvebestillingslapp
HMS Sikkerhet Det er påbudt å benytte briller i laboratoriet. Det er påbudt å vaske hendene når du går inn i laboratoriet. Lab. frakk anbefales. Hansker må brukes ved håndtering av konsentrerte syrer og baser, og man må arbeide i et avtrekkskap. Hvis man likevel er uheldig og får sprut på seg skal skadestedet øyeblikkelig skylles med rennende vann fra springen, og skyllingen skal fortsette kontinuerlig inntil man om nødvendig kommer til behandling. Spesielle vaskeflasker for skylling av øynene er tilgjengelig på laboratoriet, men bruk ikke tid på å lete etter disse hvis uhellet først er ute.
12
Ved søl på klær skylles det lenge med vann, og eventuelt med en løsning av natriumhydrogenkarbonat for å nøytralisere syrer, eller fortynnet eddiksyre for å nøytralisere baser. Disse løsningene er tilgjengelige på laboratoriet. Ikke hell konsentrerte syrer og baser direkte i vasken, men åpne først vannkranen og hell så forsiktig syren i vannet (”syre i vann går an”). Bruk avtrekket når det utvikles nitrøse gasser eller damper av syrer eller baser. Ikke drikk vann fra kranene på laboratoriet, da vannet kan inneholde for høye konsentrasjoner av kadmium og bly fra armaturen, hvis det ikke har rent meget lenge. Vann fra kaldtvannspringen på toalettene, der det er sanitærarmatur, kan drikkes. Pipettering skal gjøres med ballong, ikke med munnen! Riktig bruk av ballongen krever litt trening. Ordensregler/miljø På et kvantitativt laboratorium skal det ikke være søl med kjemikalier eller uorden på annen måte. Kjemikalier og andre ting skal alltid settes tilbake på plass etter bruk. De fleste faste stoffer er dublert og står i hyllene på begge siderav laboratoriet. Alle kjemikalier er av analysert kvalitet (p.a. – pro analysi) og er derfor dyre. Stikk aldri pipetter/spatler direkte inn i original flaskene/boksene. Hell løsninger i et rent begerglass og salter på et brettet filterpapir. Sløsing med kjemikaliene må ikke forekomme, dimensjoner derfor hvor mye du trenger. Analysekvalitet (p.a.) stoff skal aldri helles tilbake på krukkene igjen pga. fare for forurensning. Rester av organiske løsningsmidler eller tungmetaller skal helles på dertil bestemte restflasker. Andre kjemikalierester skal ikke tømmes i avfallsbøttene, men i vasken, hvor de spyles ned med vann. Knust glass skal ikke legges i de vanlige avfallsbøttene under benkene, men i egne bøtter merket ”glassavfall” som står oppe på benkene. Når studentene forlater laboratoriet skal benker, avtrekk, instrumentrom og veierom være ryddet, og av hensyn til vaskepersonalet skal laboratoriekrakkene settes på plass under benken. Arbeidsplassen må være ryddet innen kl. 16.30 på torsdager. Utstyr som ikke finnes i hvert benkeskap står enten ute på laboratoriet og instru-‐mentrommene, eller det fås utlevert. NB! Analysevektene skal behandles med forsiktighet. Søl på vektskålene og rundt vektene skal fjernes straks. Skyvedørene skal være igjen. Vask av glassutstyr Ikke anta at glassutstyret i skapet ditt er rent, vask det alltid før bruk. Pipettene, byrettene og halsen på målekolbene skal være rene og fri for fett. Men utstyret trenger ikke være tørt! Tegnet på at det er rent er at vann fukter glasset jevnt, dvs. at det ikke sees dråper på glassveggene.
13
Utstyret kan stå med 5% eller 10% (v/v) HNO3 over natten hvis nødvendig. Skyll godt med springvann, og til slutt med type 2 vann. Vaskesyreløsningen kan brukes om igjen (gjennom hele kurset). Bruk av vann. Etter at vaskemiddel eller andre oppløsninger er helt ut av kolber eller begerglass, skal restene skylles ut med mye springvann. Først etter at dette er gjort kan det skylles med små porsjoner type 2 vann. Ellers skal alltid type 2 vann brukes der det står vann i analyseforskriftene eller "distilled water" i læreboken. Se produksjonstanken for vannkvalitet. Tørring av stoffer. I prinsippet bør alle salter som benyttes til kvantitativ analyse tørres for å fjerne adsorbert vann. I praksis har det vist seg at det ikke er nødvendig å tørre de stoffene som vi bruker på KJM2400. MÅLEVARIASJON – presisjonens innvirkning på nøyaktigheten (feil) Måleunøyaktigheter bidrar til feil i analyseresultatet, og må minimaliseres. En feil på ≤ 0,1 % er ikke signifikant; se eksempler nedenfor. innveiing: målefeil: ± 0,0002 g ⇒ vei ut ≥ 200 mg titrering: målefeil: ± 0,03 mL ⇒ titrervolum ≥ 30 mL pipettering: rene pipetter, riktig pipetteringsteknikk og bruk av kalibrerte pipetter innstilling (standardisering av titranten): ved innstillinger skal alltid relativt standardavvik være ≤ 0,1 % før bestemmelsen kan utføres. DIMENSJONERING Ved en kjemisk analyse må mengden av den prøven som en arbeider med, avpasses slik at en får passende vekt (gravimetri), volum (volumetri) eller signal (instrumentelle metoder) ved den endelige måling. Dette kalles "dimensjonering" av analysen. For eksempel: Ved volumetriske analyser bør feilen ved avlesning av byretten være mindre enn 0,1 %, og følgelig bør titrervolumet være minst 30 mL for en 50 mL byrette, forutsatt en absolutt avlesningsfeil på 0,03 mL. Videre bør titrervolumet være en del mindre enn byrettens totale volum.
14
For dimensjonering av analysene på KJM2400 tar man utgangspunkt i utlevert mengde stoff, som er oppgitt i en egen tabell. For enkelte av oppgavene er dimensjoneringen foretatt på forhånd; dvs. at det er angitt i forskriften hvor stor del av utlevert mengde som skal tas ut til hver enkeltbestemmelse (replikat), og hvor mye denne igjen skal fortynnes. Mengden av reagenser som skal brukes er vanligvis oppgitt. Hvis det i oppgaven står at du skal ta ut for eksempel 10.00 mL, skal du bruke en fullpipette, hvis det står 10,0 mL, bruk en målepipette, og hvis det står 10 mL, så bruk målesylinder. INNLEVERING AV ANALYSERESULTAT Resultatet beregnes som middelverdien av prøvereplikatene. Både replikatene, middelverdien og standardavviket oppgis i analyseserapportskjemaet. Det vil være en fordel om både det absolutte (s) og det relative (sr) standardavviket oppgis (se nedenfor). Normalt benyttes minst tre prøvereplikater. Standardavviket er gitt ved formelen
s =
∑ xi − x( )2
N− 1 , og sr (%) =
s ⋅100x
%
Det skal være overensstemmelse mellom antall siffer som resultatet oppgis med ("signifikante siffer/gjeldende siffer") og presisjonen, slik den kommer til uttrykk i standardavviket (det er her lettere å sammenligne med s enn sr ), så sant det beregnede standardavviket ikke er urealistisk mye lavere enn metodens normale standardavvik; se tabellen på s. 7. Hvis det bare er to prøvereplikater, oppgis spredningen (w) mellom replikatene. Hvis w(%) er større enn tre ganger metodens standardavvik (s. 5), skal minst en ekstra replikat analyseres. Innlevering av analyseresultat foregår ved at analyserapportskjemaet (som finnes i Fronter) påføres resultatet og leveres som første side i rapporten (som skal være ferdigskrevet) i Fronter. Ved OM kontakt veileder. KALKULATORER Du bør ha numeriske kalkulatorer med statistikk; middelverdi og standardavvik, samt lineær regresjon. Husk å lære deg hvordan du kan gjøre slike beregninger på din kalkulator før laboratoriekurset begynner. For senere bruk til KJM3400 er det nyttig om kalkulatoren også inneholder t-‐ og F-‐fordeling.
15
VURDERING AV ANALYSEFEIL Feilprosenten påføres analyserapportskjemaet av assistenten. Hvis feilprosenten for et innlevert resultat er for stor, skrives bare "OM" på analyserapportskjemaet. Hvis man får OM må man alltid gjøre analysen på nytt, på en ny utlevert prøve som har en annen konsentrasjon av det aktuelle stoff. Hvis man får mer enn 3 OM på en oppgave, vil kurset ikke bli godkjent! Hvis feilen skyldes en regnefeil, skjer følgende: Første gang: du slipper å gjøre analysen på nytt Andre gang: labansvarlig avgjør om analysen må gjøres på nytt; sannsynligheten for at den må gjøres på nytt er > 90% Tredje, fjerde, femte….. gang: analysen må gjøres på nytt med ny prøve HVORDAN UNNGÅ FEIL? Det er visse typer feil som ofte fører til "OM" på KJM2400, og som burde kunne unngås. En del av disse er listet opp nedenfor, i håp om at dette vil være til hjelp for studentene. 1. Inhomogen løsning (kolben er ristet for dårlig). 2. Avlest vekten galt. 3. Avlest måleinstrumentet galt (pH-‐meter, byrette etc.). 4. Veid inn galt stoff. 5. Slått inn galt tall på kalkulatoren. 6. Brukt gal molaritet eller molekylmasser. 7. Plottet galt. Eksempel: | | | | eller satt feil verdi i Excel 22 23 23 24 8. Feil formel i Excel 9. Avlest mm-‐papiret galt. 10. Byttet om på aksene. 11. Levert inn svaret på replikatene og ikke utlevert mengde; se "oversikt over utleverte
analyser". 12. Levert inn resultatet på gal oppgave. 13. Utleveringsfeil. Den siste feilen prøver man å unngå, og den opptrer også sjelden. For at man skal kunne kontrollere at det ikke er gjort noen feil ved utleveringen, skal studenten gjemme alle løsninger og stoff til oppgavene er godkjent, slik at kontrollanalyse er mulig. Alle disse feilene ovenfor er sørgelige, men man har vanligvis ikke akseptert dem som sørgelige nok til å få en eventuell "OM" omgjort. Hvis det er noe galt med den utleverte løsningen, eller hvis instrumentet ikke er i orden, lastes selvfølgelig ikke studenten. Moralen er at det er lurt å sjekke data og beregninger minst to ganger, gjerne med litt tid imellom.
16
Men hvis oppgaven må gjøres på nytt, vil det gå mye raskere å gjennomføre den, og det gir ekstra labtrening J. RAPPORTFØRING Det skal føres rapport over samtlige oppgaver på kurset. Rapporten skal skrives i Word, og leveres i Fronter, sammen med analyserapportskjemaet, og vedlegg, som kan være være Excel-‐filer. Analyserapportskjemaet bør legges som første side i rapporten. Rapporter skal gis navn som oppgavexx_brukernavn.doc Labrapporter skal skrives på passiv form. Da skal f.eks. en, jeg, vi, man ikke benyttes. Kjøre er også et ord som skal unngås. Hver labrapport skal deles inn i følgende punkter. 1A. Oppgavens formål skal beskrives kort og konsist 1B. Risikovurdering 2. Teori og bakgrunn I denne delen så vil prinsippskisse med forklaring og annen teoretisk bakgrunn høre hjemme. Her vil det også være naturlig å ta med svar på spørsmål som er gitt til hver enkelt laboratorieøvelse. Denne delen er også utmerket eksamenstrening. 3. Eksperimentelt Her skal du henvise til labheftet så langt råd er, og fatte deg i korthet. Det betyr at det kun skal tas med avvik fra prosedyren som beskrevet i labheftet. 4. Resultater Kun resultatene; 𝒙 , s og sR (%) skal presenteres, på tabellform. I tillegg kan det være aktuelt å ta med andre datasett blir spurt om i oppgaven. Tabeller skal alltid gis et nummer (i stigende rekkefølge) og en tekst som beskriver hva tabellen inneholder, og tabellteksten plasseres over tabellen. Figurer skal også alltid gis et nummer og en tekst som beskriver hva figuren inneholder, og det plasseres under figuren. Tabeller og figurer skal alltid henvises til i hovedteksten før de vises.
17
5. Diskusjon 5.1 Diskusjon Resultatene og metodens anvendbarhet skal diskuteres. Punkter som vil være naturlig å argumentere ut fra er selektivitet presisjon analysetid krav til operatør Er det andre analysemetoder som kan benyttes til bestemmelsen? Diskuter! 5.2 Feilkilder De viktigste feilkildene skal nevnes. Dette skal ikke nødvendigvis være en lang liste -‐ men de skal være gjennomtenkte. 6. Appendiks 6.1 Dimensjonering I rapporten skal innveid mengde stoff, volum utpipettert, fortynninger etc. gå klart frem, og begrunnes ut fra det som er sagt om dimensjonering på s. 10. 6.2 Rådata Primære måleresultater (inkludert kopi av utskrifter fra instrument), spektra, kromatogrammer, kalibreringskurver og regneeksempler angis på en oversiktlig måte. Husk at alle utregninger som du har gjort skal vises med eksempel (bare for et replikat). Husk å forklare hvert trinn. Dette er meget viktig, også for deres fremtidige virksonhet som kjemikere. Det å kunne fremvise rådata kan være avgjørende for feks. patentsøknader og for å kunne motbevise eventuelle beskyldninger om forfalskning av data. For å få rapporten godkjent, skal den føres som angitt over. Bruk samme tallsystem for avsnitt som over.
18
Viktige begreper i analytisk kjemi Følgende er begreper som ofte blandes sammen (noen ganger også i litteraturen): Det er forskjell på: analyse (analysis) og bestemmelse (determination) nøyaktighet (accuracy) og presisjon (precision) reproduserbarhet og repeterbarhet (reproducibility) (repeatability) selektiv (selective) og spesifikk (specific) følsomhet (sensitivity) og deteksjonsgrense (limit of detection -‐ LOD) og nedre bestemmelsesgrense (limit of quantification -‐ LOQ) standard tilsetning og intern standard (standard addition) (internal standard) prøvereplikat og målereplikat -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ Det er også en del uoverensstemmelser i definisjonen av de forskjellige begrepene ovenfor (spesielt begrepene selektiv, spesifikk og følsomhet). Vi har valgt å benytte følgende definisjoner i kursene KJM2400, KJM3400: Analyse og bestemmelse: -‐-‐ man analyserer et prøvemateriale (matriks) og bestemmer konsentrasjon av gitte komponenter (analytt) i et prøvemateriale.
analyse Ø prøvemateriale bestemmelse Ø analytt
Prøvereplikat og målereplikat Prøvereplikater er deler av et prøvemateriale av omtrent samme størrelse, vekt eller volum, som gjennomgår hele analyseprosedyren på samme måte og vanligvis til samme tid. Det kan utføres flere målereplikater på samme prøvereplikat.
19
Nøyaktighet: Grad av overensstemmelse mellom analyseresultatet (𝑥) og "den sanne verdi" (xt). Uttrykkes som feil (𝑥 − 𝑥!) eller relativ feil
(!!!!) !!
∙ 100%
𝑥 er som regel middelverdi ved måling av et antall prøvereplikater. Presisjon: Beskriver overensstemmelsen mellom to eller flere måleverdier når målingene har blitt utført på eksakt samme måte. Uttrykkes ved standardavviket
eller det relative standardavviket s(%) = s/x .100%. Figuren illustrerer forskjellen på presisjon og nøyaktighet:
Reproduserbarhet Standardavvik for prøver målt med en gitt metode, men der enten dagen, laboratoriet, personen, instrumentet etc. er forskjellig. Repeterbarhet Standardavvik for replikater målt fortløpende. Måleusikkerhet Et estimat tilknyttet måleresultatet som beskriver et område (for eksempel konsentrasjonsområde) der det med en viss sannsynlighet kan si at den sanne verdien ligger. Måleusikkerheten inneholder både systematiske og tilfeldige feil.
20
Selektiv – i hvilken grad analytten(e) kan bestemmes uten respons fra andre komponenter i prøven. Spesifikk – når metoden (elektroden, reagenset o.a.) er fullstendig selektiv for en analytt eller en gruppe av analytter. Følsomhet: Forandring i måleverdi ΔS som er resultat av en konsentrasjonsforskjell ΔC:
Følsomhet F = ΔS/ΔC; dvs. stigningskoeffisienten til kalibreringskurven. Deteksjonsgrense Minste konsentrasjon (eller mengde) som kan detekteres. Kan angis på flere måter: 1) Cmin = k ·∙ (sbl/F)
sbl er standardavviket for instrumentsignalet ved gjentatte målinger (10 eller flere) av blindprøven.
k er vanligvis 3, men kan ha forskjellige verdier avhengig av hvilken sikkerhet som ønskes.
F er stigningskoeffisienten til kalibreringskurven. 2) En enklere måte: Konsentrasjonen av analytten som gir S = 3N, dvs. når signal/støy-‐
forholdet S/N = 3.
21
Nedre bestemmelsesgrense: Minste mengde (kons.) som kan bestemmes med en akseptabel nøyaktighet og presisjon. (Hva som er akseptabelt bestemmes selv i det aktuelle tilfelle.) – kan benytte uttrykket (1) som for deteksjonsgrense, men med k = 10. Ved angivelse av deteksjonsgrense og bestemmelsesgrense skal det oppgis (gjøres ikke alltid) hvordan man har bestemt den. Blindprøve (blank): er en "prøve" (ofte løsningsmiddelet) som ikke inneholder analytten, men som gjennomgår samme prosedyre som prøvematerialet (f.eks. tilsetting av syrer, reagenser, oppvarming etc.). Brukes for å ha kontroll med forurensninger (fra reagenser, atmosfæren, og utstyr som prøvematerialet er i kontakt med) av det stoffet som skal bestemmes og interferenser fra andre stoffer (fra reagenser, syrer, løsningsmiddel etc.)
22
Kvantitativ bestemmelse ved instrumentelle metoder Vanligvis har vi en lineær sammenheng mellom instrumentsignalet og konsentrasjonen til stoffet som skal måles (I = k ·∙Cx). I potensiometri er instrumentsignalet proporsjonalt med logaritmen til konsentrasjonen av stoffet (I = k ·∙log Cx); derfor må log Cx avsettes på x-‐aksen for å få en lineær kurve i dette tilfellet. I. Kalibreringskurve (standardkurve) Prinsipp: En serie (4–6) kalibreringsløsninger med økende konsentrasjon av analytt måles. Konsentrasjonsområdet avhenger av prøvens konsentrasjon, og instrumentets lineære område og deteksjonsgrense. Standardløsningene tilsettes ofte en gitt konsentrasjon av syrer og andre reagenser, slik at standardløsningene blir så like prøveløsningen som mulig (matriks-‐matching). Første punkt på kurven skal være blindprøven (C = 0), hvis benyttet. Det er ofte en kalibreringsløsning uten tilsatt analytt (0 – prøve). Viktigste fordel: Velegnet ved rutineanalyser, der samme kalibreringskurve kan benyttes ved analyse av en rekke prøver. Kommentarer: – Følsomheten (k) må være den samme for prøven som for standardene, derfor er matriksmatching ofte nødvendig. – Drift i instrumentet (k endres) krever stadig kalibrering (standard kan kjøres som ukjent, som kontroll). – Linearitet ønskelig, men ikke helt nødvendig. De fleste kalibrerings-‐kurver er bare lineære innenfor et visst konsentrasjonsområde, og bøyer av ved høyere konsentrasjoner. En lineær kurve trekkes best vha. minste kvadraters metode. – Interferenser kan endre k (ukjente matrikseffekter fra prøven, som ikke skyldes syrer, reagenser etc.); dette fører til analysefeil. – Regresjonsanalyse, nødvendig når også usikkerheten i selve kalibrer-‐ingskurven skal tas med ved beregning av standardavviket for ukjent prøve. II. Øvre–nedre standard Prinsipp: De to standardene (en med lavere og en med høyere konsentrasjon av analytt enn forventet i prøven) og prøven måles i rekkefølge etter konsentrasjon. Viktigste fordel: Drift og ikke-‐linearitet mindre alvorlig.
23
III. Standard tilsetning Prinsipp: Tilsetning av kjent mengde av analytten til prøveløsningen. Viktigste fordel: Interferenser (ukjente matrikseffekter fra prøven) som påvirker k kompenseres. Kommentarer: – Linearitet er en forutsetning (sjekkes ved flere tilsetninger). – Signalet bør dobles (omtrentlig Cx bør være kjent) – hvis for liten økning: stor usikkerhet i Cx ved ekstrapoleringen
– hvis for stor økning: ikke-‐linearitet vil gi feil – Tidkrevende (dobler analysearbeidet sml. med kalibreringskurve). – Blindprøve: må det korrigeres for (bestemmes separat). – Antall tilsetninger: En eller flere (regresjonsregning). IV. Intern standard Prinsipp: Tilsetning av et stoff Y til prøven hvor X skal bestemmes (analytt). Viktigste fordel: Kompenserer for endringer i eksperimentelle parametre, som injeksjons-‐volum (GC, HPLC), oppsugningshastighet, forstøvning, plasmatemperatur (ICP-‐AES). Kommentarer: – Bare for multikomponentmetoder, kromatografi etc. – Y må ikke finnes i prøven. – Y og X må ha liknende fysiske og kjemiske egenskaper; variasjoner i de eksperimentelle parametere må påvirke X og Y på samme måte. Altså: Standard tilsetning: tilsetning av analytten Intern standard: tilsetning av et liknende stoff V. Blindprøve Benyttes for å korrigere for: – spor av stoffet selv; pga. kontaminering (fra vann, reagenser, beholder, atmosfæren) – eller interferens; fra andre stoffer som gir et instrumentsignal
24
SOP (Standard Operation Procedure) for beregning v.h.a. EXCEL BEREGNING AV MILLILITER FRA MÅLT MASSE VED HJELP AV EXCEL + BEREGNING AV MIDDELVERDI, STANDARDAVVIK OG RELATIVT STANDARDAVVIK VED HJELP AV EXCEL
1. I ruten B1, skriv gram. 2. I B2, B3 og B4, før inn massene til dine 3 replikater (for eksempel 24,9029;
24, 9063; 24,9558) 3. I rute C1, skriv mL. 4. I rute C2, skriv =B2*1,0035
(1,0035 er verdien du skal gange med hvis temperaturen er 23 grader (se tabell 1 i oppgave 1))
5. Trykk Enter. 6. Plasser det hvite krysset (”musepilen”) i nedre høyre hjørne av C2. Når krysset er
blitt svart, har du satt krysset i riktig posisjon.
Du har nå gjort om verdiene til mL
7. Sett musepilen i rute C5 8. Venstreklikk på Insert (evt. Sett Inn). 9. Velg Function… 10. I Or select a category* (Eller velg en kategori), velg Statistical (statistisk). 11. I Select a function (Velg en funksjon), velg AVERAGE (GJENNOMSNITT 12. Trykk OK. 13. Nå kommer et vindu opp som kalles Function Arguments (Funksjonsargumenter).
Flytt den til siden hvis den skjuler tallene dine. 14. Venstreklikk på det øverste tallet (her: C2). Mens du holder venstreknappen inne,
drar du krysset/pilen ned til det nederste tallet, slik at alle tre ruter får en blinkende ramme rundt seg.
15. Trykk OK. 16. Tallet i rute C5 er gjennomsnittet av dine tre tall. 17. I celle A5, skriv Gjennomsnitt. 18. I celle C6, gjenta punkt 8 t.o.m 10. 19. I Select a function (Velg en funksjon), velg STDEV (norsk: STAV). 20. Gjenta punkt 13, 14 og 15. 21. Tallet i rute C6 er standardavviket av dine tre replikater. 22. I rute A6, skriv Standardavvik. 23. I rute C7, skriv =100*C6/C5 24. Trykk Enter. 25. Tallet i C7 er den relative standardavviket for dine tre replikater. 26. I rute A7, skriv RSD (%).
* : I noen versjoner av Excel kalles denne Function category.
25
Lineær regresjon ved hjelp av Excel 1. Før dine måleresultater inn i et Excel-‐ark. f.eks: kolonne B: konsentrasjon (x-‐verdi), kolonne C: H avlest (y-‐verdi)
c [µg/ml] H [arb.] K1 1 2 K2 2 4 K3 3 6 K4 4 8
For excel 2003: 2. Marker kolonnene som inneholder c og H verdiene og klikk på insert → chart (alternativet er å klikke på chart wizard
ikonet på verktøylinjen). 3. Lag en XY Scatter plot. 4. Klikk på next, og velg aksetitler. 5. Klikk på finish.
For excel 2007: 2. Marker kolonnene som inneholder c og H verdiene og klikk på Insert.
3. Trykk deretter på scatterikonet og velg ikonet øverst til venstre. Kurven vil nå komme opp. 4. For å navngi grafen, samt x og y aksen, klikk på ikonet til venstre i Chart layouts – dobbelklikk på skriften ved x og y aksen for å endre navn på kurven.
6. Når du har laget ferdig grafen, høyreklikk på et av tallene i y-‐aksen og velg format axis. For Excel 2003 : 7. I scale, velg minimum og maksimum verdi for aksen (for eksempel min = 0, max = 10). Klikk så O
For Excel 2007: 7. Under Axis option, velg fixed for minimun og maksimum (for eksempel min = 0 og max = 10. Klikk close.
8. Klikk med høyre mus-‐tast på et punkt på datalinjen i grafen din. Velg add trendline. 9. Under trendline options, velg linear 9. Velg linear i menyen ”Type”. 10. Kryss av for ”Display equation on chart” og ”Display R-‐squared value on chart” i menyen ”Options” (se figur).
26
For excel 2003 For excel 2007 11. For excel 2003: Klikk OK. For excel 2007: Klikk Close
12. Du finner konsentrasjonen i den ukjente løsningen din ved å løse regresjonsligningen for eksempel her: y = 2x med hensyn på x:
2)(yx =
27
13. a og b i den generelle ligningen x=ax+b kan finnes vha. Excel: a: skriv i cellen =slope(y-‐verdier;x-‐verdier), for eksempel her: =slope(C2:C5;B2:B5) b: skriv i cellen =interface(y-‐verdier;x-‐verdier), for eksempel her: =interface(C2:C5;B2:B5)