Analytická chémia

Analytická chémia je odvetvie chémie zaoberajúce sa delením, identifikáciou – dokazovaním a stanovovaním obsahu jednotlivých zložiek prírodných alebo umelých materiálov a ich zmesí. Kvalitatívna analýza zisťuje a identifikuje chemické zložky vo vzorke a kvantitatívna analýza určuje množstvo jednotlivých zložiek v látkach. Rozdelenie zložiek často predchádza rozboru.

Metódy kvantitatívnej analytickej chémie je možné rozdeliť na klasické a inštrumentálne. Klasické metódy (tiež aj metódy mokrou cestou) využívajú meranie hmotnosti alebo objemu. Na delenie používajú aj metódy ako: filtrácia, destilácia, extrakcia, kryštalizácia, sublimácia, adsopcia, sedimentácia či dialýza. Inštrumentálne metódy používajú prístroj na meranie fyzického parametra analytu ako, absorpcia svetla, vodivosť, napätie prúd či iné. Delenie, separácia je dosiahnuté za pomoci chromatografie, elektroforézy alebo delenie vplyvom poľa.

Analytická chémia sa tiež zameriava na experimentálny dizajn, chemometriu a tvorbu nových meracích nástrojov pre získavanie lepších chemických informácií. Analytická chémia má aplikácie pre súdne lekárstvo, bioanalýzu, klinickú analýzu, environmentálnu analýzu a materiálovú analýzu.

História

Analytická chémia bola dôležitá od skorých začiatkov chémie, ponúkajúc metódy pre zistenie prvkov nachádzajúcich sa v skúmanom objekte. Počas tohoto obdobia boli dôležité analytické prínosy pre chémiu a to vyvinutie systematickej analýzy prvkov Justusom von Liebig a systematizovanej organickej analýzy založenej na špecifických reakciách funkčných skupín.

Prvou inštrumentálnou analýzou bola plameňová emisná analýza vyvinutá Robertom Bunsenom and Gustávom Kirchhoffom ktorý objavili rubídium (Rb) and cézium (Cs) v roku 1860.

Najväčší vývoj zaznamenala analytická chémie po roku 1900. Počas tejto periódy sa inštrumentálna analýza stala progresívne dominantná v analytickej chémii. Obzvlášť veľa zo základných spektroskopických a spektrometrických techník bolo objavených začiatkom 20teho storočia a zdokonalené v druhej polovici 20teho storočia.

Výskum separačných metód sa vyvíjal podobnou vývojovou líniou, a ten sa transformoval do výkonných prístrojov. V 70tych rokoch sa veľa týchto techník začalo používať spoločne pre získanie kompletnej charakterizácie vzoriek.

Začnúc okolo 1970 až do dneška sa analytická chémia zapojila do otázok biológie (bioanalytická chémia), aj keď bola predtým zameraná najmä na anorganiku alebo malé organické molekuly. Začalo narastať použitie laseru na skúšku a tiež ním začalo ovplyvňovanie širokého spektra reakcií. V druhej polovici 20teho storočia sa ukázala expanzia rôznych aplikácii analytickej chémie z akademických chemických otázok na forénzne, environmentálne, priemyselné and medicínske otázky, ako v histológii.

Modernej analytickej chémii dominuje inštrumentálna analýza. Veľa analytických chemikov sa sústreďuje na jednoduché typy prístrojov. Akademici sa sústreďujú ako na nové aplikácie a výskum, tak aj nové metódy analýzy. Výskum prítomnosti chemikálií v krvi ktoré zvyšujú riziko rakoviny môže byt výskumom do ktorého budú zapojení analytický chemici zapojení. Úsilie vyvinúť novú metódu môže zapojiť využitie nastaviteľného laseru na zvýšenie selektívnosti a citlivosti spektrometrických metód. Mnohé metódy kedysi vyvinuté sa používajú nezmenené, takže údaje môžu byť porovnávane počas dlhého časového obdobia. Toto je skutočnosťou v priemyselnom zabezpečení kvality a foréznych a environmentálnych analýzach. Analytická chémia má stále dôležitejšiu úlohu vo farmaceutickom priemysle kde okrem zabezpečenia kvality, je používaná na skúmanie nových liekov a v klinických aplikáciách kde pochopenie interakcie medzi liekom a pacientom je kritické.

Klasické metódy analytickej chémie

Kvalitatívna analýza

Analýza, pri ktorej sú zlúčeniny identifikované alebo klasifikované na základe ich fyzikálno-chemických vlastností, ako napr. chemická reaktivita, rozpustnosť, molekulová hmotnosť, bod topenia, spektrálne údaje, hmotnostné spektrá, rádioaktívny polčas rozpadu a pod. Poskytuje informácie o tom, z akých zložiek (prvkov, iónov, molekúl) sa vzorka skladá. Meranie, pri ktorom sa zisťuje prítomnosť prvku alebo viacerých zložiek (prvkov, iónov alebo molekúl) vo vzorke sa nazýva dôkazom.

Zmyslové skúšky

Pri skúškach sa môžu kontrolovať: vzhľad, farba, zápach, správanie pri rozpúšťaní u tuhých vzoriek a iné.

Plameňová skúška

Metóda využíva sfarbenie nesvietivého plameňa niektorými prvkami, ktorých elektróny sa dostávajú do vzbudeného stavu už pri teplote tohoto plameňa a následne dochádza k vyžiareniu tejto energie. Vzorka sa do plameňa vnáša na platinovým drôtom vyčisteným v zriedenej HCl. Farby niektorých katiónov:

• vápnik – tehlovočervená
• draslík – fialová
• lítium – karmínovočervená
• sodík – žltá
• meď – zelená
• stroncium – modrá

Chemické reakcie

Pre delenie do skupín a následný dôkaz sa používajú skúpinové činidlá, selektívne skúmadlá a dôkazové chemické reakcie. Techniky sú buď kvapkový dôkaz (používa sa kvapkové sklíčko, hodinové sklíčko alebo filtračný papier) s objemom vzorky 0,03 ml, alebo dôkaz v skúmavke s objemom vzoriek 0,5 pri mikroskúmavke alebo 5 ml pri makroskúmavke. Pri organických látkach sa využívajú najmä selektívne reakcie po prípadnom predošlom rozdelení niektorou zo separačných metód.

U zmesí anorganických zlúčenín sa používajú prepracované postupy nazývajúce sa aj Systematiký postup pre delenie a dôkaz katiónov a Systematický postup delenia a dôkazu aniónov. Pre delenie a dôkaz katiónov je napr sulfánový postup, deliaci katióny do piatich skupín. Pre stanovenie aniónov je možné použiť metódu Delenie aniónov podľa Bunsena, deliaci anióny do štyroch skupín.

Kvantitatívna analýza

Analýza pri ktorej je určené (odhadnutý) množstvo alebo koncentrácia analytu a vyjadrený ako číselna hodnota. Kvalitatívna analýza môže byť bez k kvantitatívnej, ale kvantitatívna analýza výžaduje identifikáciu (dôkaz) analytu, ktorý je číselne vyjadrený. Meranie, ktoré poskytuje kvantitatívny údaj o množstve stanovovanej zložky (prvku, iónu, molekuly) v danej vzorke alebo o jej koncentrácii sa nazýva stanovením.

Gravimetria

Z hmotnosti zrazeniny známeho stechiometrického zloženia sa vypočíta množstvo skúmanej látky v roztoku vzorky.

Titrácia

Volumetrická metóda určená na zistení objemu skúmadla, potrebného na úplné zreagovanie stanovovanej zložky v analyzovanom roztoku vzorky, čo nastane v bode ekvivalencie. Bod ekvivalencie sa stanovuje indikátorom alebo v inštrumentálnych metódach titrácie meraním elektrickej veličiny. Zo zisteného objemu známej koncentrácie sa stanoví obsah zisťovanej látky. Podľa spôsobu titrácie sa táto delí na priamu, spätnú a nepriamu. Podľa použitých druhov titračných roztokov sa delia na:

• Acidobazické titrácie
  • Acidimetria – titračný roztok je kyselina
  • Alkalimetria – titračný roztok je zásada
• Komplexotvorné titrácie
  • Chelatometria
  • Merkurimetria
• Zrážacie titrácie
  • Argentometria
• Oxidačno-redukčné titrácie – (Oxidometria a reduktometria)
  • Manganometria
  • Dichromatometria
  • Cerimetria
  • Bromátometria
  • Jodometria
  • Titanometria

Inštrumentálne metódy analytickej chémie

Optické metódy

Atomová spektrometria

• Emisná spektrálna analýza – ESA
• Plameňová spektrometria
• Atómová absorpčná spektrometria
• Atomová fluorescenčná spektrometria
• Röntgénová spektrometria (X) lúčov
• Augerova elektrónová spektrometria
• Mössbauerova spektrometria
• Fotoelektrónová spektrometria
• Hmotnostná spektrometria

Molekulová spektrometria

• Spektrofotometria
• Luminiscenčná analýza
• Infračervená spektrometria
• Ramanova spektrometria
• Mikrovlnná spektrometria
• Jadrová magnetická rezonancia – NMR
• Elektrónová paramagnetická rezonancia

Ostatné optické metódy

• Röntgénová difrakčná spektrometria
• Interferometria
• Refraktometria
• Polarimetria
• Nefelometria a Turbidimetria

Elektrochemická analýza

• Potenciometria
  • Priama potenciometria
  • Potenciometrická titrácia
• Polarografia
• Voltametria (voltamperometria)
  • Amperometrické titrácie
• Elektrogravimetria
• Coulometria
• Konduktometria
  • Priama konduktometria
  • Konduktometrická titrácia

Termická analýza

• Vážková termická analýza – TGA
• Diferenčná termická analýza – DTA
• Dynamická diferenčná kalorimetria – DDC
• Entalpická termická analýza – DSC
• Termogravimetria – TG
• Emanačná termická analýza – ETA
• Eluačná plynová analýza – EGA
• Termometrická titrácia a entalpiometria
• Termodilatometia – TD

Separačné metódy

• Chromatografia

Podľa skupenstva vzorky:

• • Plynová chromatografia – GC
  • Kvapalinová chromatografia – LC, HPLC

Podľa metódy separácie:

• • Absorpčná – LSC, GSC
  • Rozdeľovacia – LLC, GLC
  • Ionexová – IEC
  • Gélová – GPC

Podľa spôsobu uloženia stacionárnej fázy:

• • kolónová chromatografia (stĺpcová)
  • chromatografia na tenkej vrstve – TLC
  • papierová chromatografia – PC
• Elektromigračné separačné metódy
  • Elektroforéza
  • Izotachoforéza
  • Izoelektrická fokusácia

Štruktúrna analýza

Slúži na určovanie štruktúry (konštitúcie), konfigurácie a konformácie skúmanej látky.

Iné

• • Biochemická analýza – na dôkazy sa používajú mikroorganizmi
  • viskozimetria

Pojmy

Vzorka

Vzorka je len malým podielom z množstva materiálu, z ktorého sa má urobiť chemický rozbor, potrebný pre daný chemický rozbor. Odobranie – vzorkovanie a uchovanie vzorky sú jednými z rozhodujúcich podmienok pre správnosť výsledkov. Spôsob ododbrania vzorky závisí od povahy homogenity a skupenskstva skúmaného materiálu a býva predpísaný normami:

• STN 01 5110 Vzorkovanie materiálov. Základné ustanovenia
• STN 01 5111 Vzorkovanie sypkých a zrnitých materiálov
• STN 01 5112 Vzorkovanie kvapalín a pastovitých materiálov zrušená 1.6.2004
• STN 65 0512 Vzorkovanie kvapalín
• STN 01 5113 Vzorkovanie plynov
• STN 65 6005 Ropa a ropné výrobky. Vzorkovanie nahradená STN EN ISO 3170:1999-04
• a iné

Etalón/štandard

(angl. measurement standard) je realizáciou definície danej veličiny so stanovenou hodnotou a príslušnou neistotou merania. Používa sa ako referencia/referenčná hodnota. Môže sa realizovať ako merací systém, materiálová miera, referenčný materiál alebo základná látka. Etalóny majú metrologickú nadväznosť od primárneho štandardu až po pracovný etalón v laboratóriu.

Metóda absolútnej kalibrácie

Využíva kalibračnú krivku, vytvorenú zo známych mnôžstiev analyzovanej látky alebo meraním štandardov o známych koncentráciách a vynesením meraného signálu v závislosti od známej koncentrácie.

Metóda vnútorného štandardu

Alebo aj metóda porovnávacieho prvku, využíva sa na elimináciu interferencií spôsobujúcich zmenu signálu – drift signálu.

Metóda štandardného prídavku

Spočíva v pridaní známeho množstva stanovovanej zložky vo forme štandardu ku známemu množstvu vzorky.

Signál a šum

Jednou z najdôležitejších zložiek analytickej chémie je maximalizovanie meraného signálu spolu s minimalizovaním prítomného šumu. Analytická hodnota tohoto je známa ako pomer sygnálu a šumu (angl. signal-to-noise ratio) – (S/N alebo SNR). Šum môže byť spôsobovaný faktormi prostredia alebo základmi fyzikálnych či analytických procesov.

Identifikácia

Identifikácia prebieha rôznymi postupmi (spravidla chemickými, ale modernejšie i fyzikálnymi) sa zisťuje (identifikuje) zloženie neznámej skúmanej látky na úrovni prvkov, prípadne jednoduchých molekúl.

Dôkaz

Obdobnými postupmi ako pri identifikácii sa dokazuje prítomnosť prvkov (príp. väčších zložiek) v skúmanej látke s nejakým predpokladaným zložením.

Stanovovanie zložiek

Určuje množstvo jednotlivých zložiek v celej skúmanej vzorke, ako prvkov v látke (napr. obsah železa v železnej rude) alebo molekúl v zmesi (napr. množstvo kyseliny octovej v kuchynskom octe alebo pokazenom víne)

Usporiadanie látok

Samotné zloženie a množstvo jednotlivých prvkov v látke nie vždy presne charakterizuje vlastnosti tejto látky. Preto je potrebné poznať aj akým spôsobom sú jednotlivé atómy navzájom pospájané, aké chemické väzby sú medzi nimi vytvorené (pozri rozdiel medzi grafitom a diamantom) a tiež štruktúru aj konfiguráciu atómov v molekule. U zložitejších molekúl je dôležité poznať usporiadanie atómov či jednotlivých skupín v priestore, čiže konfiguráciu či konformáciu, pretože môžu významne ovplyvňovať vlastnosti danej látky (napr.: kyselina L-askorbová je vitamínom, ale kyselina R-askorbová je karcinogénna látka).

Externé odkazy

Chemický portál

• Garaj, J. a kol. Fyzikálne a fyzikálno-chemické analytické metódy. Bratislava: Alfa, 1977, 503 s.
• Garaj, J., Bustín, D., Hladký, Z. Analytická chémia. Bratislava: Alfa, 1987, 744 s.
• Gara j, J., Hladký, Z., Labuda, J. Analytická chémia I. Bratislava: STU, 1996, 188 s.
• Paveleková, I., Analytická chémie pre študentov pedagogických fakúlt. Trnava, Pdf TU, 2010, ISBN 978-80-8082-388-7
• Bína, J. a kol. Malá encyklopédia chémie 1. vyd. Bratislava: Obzor, 1968. 678 s.
• FILIT – zdroj, z ktorého pôvodne čerpal tento článok.