Műszaki analitikai kémia Műszaki analitikai kémia

Műszaki analitikai kémia Műszaki analitikai kémia

Dr. Galbács Gábor

A kurzus tárgya, követelmények

Tárgy: Műszaki analitikai kémia Szervezés: 90 perces előadások

Tananyag:a a yag az előadáson elhangzó anyag + segédanyagoka eőadáso e a g ó a yag segéda yago Értékelés: kollokvium vagy zárthelyik alapján

megajánlott jegy

Javasolt kiegészítőolvasmány:

Burger K.: Az analitikai kémia alapjai

Záray Gy.: Az elemanalitika korszerű módszerei

Galbács Z., Galbács G.: A környezetvédelmi analízis alapjai

A kurzus célkitűzése

Az analitikai kémia módszereinek célirányosan rövidített, műszaki szempontú, bevezető (alapozó) tárgyalása, a fontosabb eljárások áttekintő, jellemzésen és

h lí á l ló b á

összehasonlításon alapuló bemutatása.

A hangsúly az analitikai kémia műszeres vizsgálati módszereire, azon belül is az iparban a minőségellenőrzésre, folyamatszabályzásra elterjedten alkalmazott módszerekre tevődik. Automatizált, távolról vagy terepen is alkalmazható módszerek is tárgyalásra kerülnek.gy

A szűk óraszám miatt tehát nem az anyagtudományban alkalmazott nagyon speciális módszereket, hanem a gyakorlat/ipar számára fontos módszereket tárgyaljuk (pl.

szerkezetvizsgáló vagy mikroszkópos módszerekkel nem foglalkozunk). Ezekről más kurzusokon lesz szó.

Előzetes ismeretek

9 k é k k k( l k é é l k) 9 Fizika mérnököknek(pl. szenzorok, mérési elvek) 9 Műszaki fizikai kémia(pl. elektrokémiai alapok) 9 Általános kémia(pl. sztöchiometria, termokémia) 9 Szervetlen kémiai anyagismeret

Vázlatos tematika

1. Az analitikai kémia tárgya, feladata, fontossága 2. Mintavétel, mintaelőkészítés

3 Egyensúlyi folyamatok az analitikai kémiában 3. Egyensúlyi folyamatok az analitikai kémiában 4. Térfogatos és tömeg szerinti elemzés

5. Elméleti bevezetés a műszeres analitikai kémiába 6. Analitikai szenzorok, érzékelők, detektorok 7. Elektroanalitikai eljárások

8 Spektrometriai eljárások 8. Spektrometriai eljárások

9. Termikus eljárások és analitikai kémiai gyorstesztek 10. Elválasztástechnikai eljárások

11. Automatizált, hordozható és távoli mérőrendszerek 12. Minőségbiztosítás, minőség-ellenőrzés

Az analitikai kémia feladata, tárgya

Az analitikai kémia vagy kémiai analízis az anyagi rendszerek (minta) egyszerűbb kémiai összetevőkre bontásával és azok

• megállapítani, hogy a minta milyen anyagi minőségűkémiai komponensekből tevődik össze

Îminőségi (kvalitatív) analízis

vizsgálatával foglalkozik. Feladata általában kettős:

• meghatározni, hogy az egyes kémiai komponensek milyen mennyiségben fordulnak elő a mintában

Îmennyiségi (kvantitatív) analízis

Az anyagi minőség fogalma

Anyagi minőség alatt kémiai értelemben mindazon kémiai tulajdonságok összességét értjük, ami az adott feladat esetében egyértelműen azonosítja számunkra a kémiai komponenst. Ez az alkalmazások igényei szerint esetenként igen eltérő mélységű információkat jelenthet, így a minőségi analízis részletessége is igen változó lehet…

A minőségi analízis sokszínűsége…

a) pl. egy nemesgáz elegy minőségi összetételét általában elegendően részletezi, ha megállapítjuk a jelenlévő elemek (atomok) típusát Sok esetben nincs ennél több információra (atomok) típusát. Sok esetben nincs ennél több információra szükség egyneműkristályos anyagok, ötvözetek esetén sem…

Te

Ti

A minőségi analízis sokszínűsége…

b)pl. egy radioaktív hulladék minőségi elemzésénél már nem csak a jelenlévő elemekre, hanem annak izotójaira (izotóp megoszlására) is kíváncsiak vagyunk

megoszlására) is kíváncsiak vagyunk…

A minőségi analízis sokszínűsége…

c) egyes környezetvédelmi vagy ipari mintákban az elemek oxidációs (vegyérték) állapota is érdekes lehet, vagy az, hogy milyen szerves vegyületekhez kötődnek (speciációs vagy milyen szerves vegyületekhez kötődnek (speciációs vagy módosulat- analitika)

A minőségi analízis sokszínűsége…

d) ha szerves vegyületek minőségét kell meghatározni, akkor az elemösszetételen kívül a molekulán belül az atomok kapcsolódási sorrendjét is meg kell határozni (pl funkciós kapcsolódási sorrendjét is meg kell határozni (pl. funkciós csoportok)

propanol izomerek

teobromin teofillin

A minőségi analízis sokszínűsége…

e)A teljes körű minőségi analízisbe azonban beletartozik a molekula beletartozik a molekula térszerkezetének

(pl. kötésszögek, kötés- távolságok, másodlagos és harmadlagos szerkezet,) meghatározása. Ennek az információknak főként

biopolimerek esetén van nagy jelentősége.

A d) és e) csoportba tartozó esetek megoldására szerkezetvizsgáló módszereket alkalmazunk, amelyek az analitikai kémiai módszerek egy speciális csoportját alkotják.

Az analitikai kémia módszerei

Az analitikai módszereket két nagy csoportba szokás sorolni:

A klasszikus („kémiai”) elemző módszerek kémiai reakciók tö hi t i i i it h álják ki é té f t

sztöchiometriai viszonyait használják ki és térfogat- vagy tömegmérő eszközöket alkalmaznak.Ezek az eljárások általában olcsók, egyszerűek, viszont munka- és időigényük nagy és 0.001 M-nál kisebb koncentrációk kimutatására ritkán alkalmasak.

A műszeres („fizikai”) elemző módszerek összetett, optikai vagy elektromos elven működő berendezéséket használnak.

Ezek a módszerek általában gyorsak, érzékenyek, megbízhatóak, jól automatizálhatók, viszont költségigényesek.

Nem meglepő módon ma nemcsak az ipari/műszaki alkalmazások területén, hanem általában is a műszeres módszerek alkalmazása van túlsúlyban.

Az analitikai kémia fontossága

Az analitikai kémia a kémiai tudományok egyik legtöbbet alkalmazott, így a gyakorlat számára talán legfontosabb ága.

Analitikai információra ugyanis szinte minden területen Analitikai információra ugyanis szinte minden területen szükség van. Néhány kiragadott példa:

•egészségügy, gyógyszerészet:

klinikai laborvizsgálatok, gyógyszerek összetétele, stb.

•élelmiszeripar, mezőgazdaság:

termékvizsgálat, talajjellemzők, szermaradványok, stb.

fémipa elekt onikai ipa

•fémipar, elektronikai ipar:

ötvözetek és félvezetők összetétele, szennyezői, stb.

•környezetvédelem:

közegek vizsgálata, hulladékok, szennyezők, stb.

A minőségi és mennyiségi analízis összefüggései

A minőségi és mennyiségi analíziseredmények egymással szorosan összefüggőek egymásra épülnek hiszen:

• csak ismert komponensek mennyiségét lehet meghatározni, ezért a minőségi analízis a legtöbbször megelőzi a mennyiségit (kivéve, ha ismert mintáról van szó pl.

gyártási minőségellenőrzés, szintetikus minták, stb.)

szorosan összefüggőek, egymásra épülnek hiszen:

• a minőségi összetétel mindig hordoz magában mennyiségi információt is, hiszen mindig csak egy bizonyos koncentrációnál nagyobb mennyiségben tudják kimutatni az összetevőket (lásd kimutatási határ)

(lásd pl. élelmiszerek arany- vagy alkoholtartalma, stb.)

Filozofikus gondolatok…

Az elmondottakkal kapcsolatban érdemes elgondolkodni azon, hogy van-e egzakt (abszolút) értelme a „tiszta” illetve

„szennyezett” minta kifejezéseknek általában…

A helyes válasz az, hogy nincs, hiszen „minden minta szennyezett, csak még nem vizsgáltuk elég érzékeny módszerekkel”. Ugyananakkor mégis van ezeknek a fogalmaknak értelme akkor, ha azokat bizonyos előírásoknak való megfelelőség szempontjából értelmezzük. Például: ag g p j minta „megfelel a gyógyszerkönyv tisztasági előírásainak”

vagy „a minta szennyezett a környezet védelméről szóló XXX törvényben leírtak alapján”.

Az analízis célja

Az elmondottak miatt egy analitikai kémiai vizsgálat céljának pontos definiálása mindig fontos, nemcsak az eredmények értelmezhetősége, hanem a végrehajtáshoz kiválasztandó értelmezhetősége, hanem a végrehajtáshoz kiválasztandó módszerek miatt is. Néhány lehetőség:

•teljeskörűelemzés(a már említett korlátokkal)

•részleges(gyakori, a vizsgált komponensek megadásával)

•tájékozódó mennyiségi(nagy pontosság nem elvárt)

•elemanalízis(csak az elemösszetétel fontos)

•nyomanalitikai(ez soha nem lehet teljeskörű)

•stb.

A megfelelő mérési módszer kiválasztása

Többek között figyelembe kell venni:

•a rendelkezésre álló minta mennyisége (ára)

•a mérendő komponens(ek) aránya a mintában

•a kísérőanyagok jellege és mennyisége

•az analízis célja

•a megkövetelt pontossága megkövetelt pontosság

•a rendelkezésre álló idő

•a rendelkezésre álló anyagok, eszközök, műszerek

Az analízis során koncentráció szerint a következő tartományokban dolgozunk:

Koncentráció tartományok

Főkomponens: legalább kb. 1% mennyiség Mellékkomponens: kb. 0.01-1% mennyiség

Mikrokomponens: 0.01-0.0001% (kb. ppm) mennyiség Nyomszennyező:ppm és az alatti mennyiség

ppm (parts per million vagy milliomodrész) nyomanalitikában használatos koncentráció mértékegység pl. mg/kg, µg/mL, cm³/m³, 10^-6atom

Hasonlóképpen használatos a ppb, ppt fogalom is…

Az analízis általános folyamata

Mintavétel

Reprezentatív vagy pontszerű módon kivetelezendő (pl. a [Ca²⁺] egy tóban vagy a széntartalom eloszlása egy acélban)

A i t fi ik i é ké i i áll tá k

Mintatartósítás

Mintaelőkészítés

A minta fizikai és kémiai állapotának megőrzésére mindig szükség van, amikor nem azonnal történik az analízis (pl. CO₂ vagy O₂beoldódásának veszélye) Ennek célja a mérési eljárás számára megfelelő formára (fázis, koncentráció, stb.) hozni a mintát (pl. kerámia minták elemösszetételének oldatos módszerrel)

A mérési eljárás végrehajtása

Az eredmények értékelése

Néhány további fontos fogalom

Az eljárások jellemzése, összehasonlítása és az eredmények megadása során számos fogalom és értékelési szempont használata szükséges. Ezek közül a jelentősebbek, amelyeketg j , y tárgyalni is fogunk az előadások során (a klasszikus vagy a műszeres módszerek kapcsán):

ƒpontosság / mérési hiba

ƒprecizitás / szórás

ƒérzékenység

ƒkimutatási határ / meghatározási határ l kti itá

ƒszelektivitás

ƒfelbontás

ƒzavaró hatások

ƒstabilitás, drift

ƒismételhetőség / megismételhetőség

ƒmérési sebesség / terhelhetőség

ƒköltségek

A pontosság (helyesség) azt jellemzi, hogy az adott mennyiségi analízis eredménye milyen közel esik a valódi értékhez; másképpen, hogy mekkora a mérési hiba.

A pontosság fogalma

értékhez; másképpen, hogy mekkora a mérési hiba.

Egy módszer pontosabb mint a másik, ha eredménye kisebb mérési hibával terhelt. A pontosság megadásakor legtöbbször a valódi értékre vonatkoztatott relatív (%) adatot adunk meg.

100 (%) x−valódi érték

t á

A valódi (helyes) érték sok esetben nem ismert - ilyenkor egy akkreditált labor vagy elismert (validált) módszer ugyanazon

100

(%)= •

érték valódi pontosság

Minden egyes mérési eredményt hiba terheli, amelyek többféle forrásból származhatnak. Alapvetően két csoportba szokás ezeket a hibákat csoportosítani.

Rendszeres és véletlen hiba

szokás ezeket a hibákat csoportosítani.

A rendszeres hiba egy adott mérési eljárásnál és mérési körülmények között mindig azonos irányban torzítja a mérési adatokat. A rendszeres hiba elsősorban a pontosságra van hatással.(pl. szórt fény hatása egy műszeres fényintenzitás-mérésre).

A véletlen hiba rendszertelen forrásokból származik, ezért mind nagysága, mind előjele mérésről mérésre változik.

Alapvetően ez szolgáltatja a mérési eredmények szórását, vagyis elsősorban a precizitást befolyásolja (pl. légmozgás befolyásolhatja a mérlegelést)

Egy elemi mérési folyamat (pl. pH mérés, feszültségmérés, tömegmérés, stb.) megismételt eredményei közötti egyezés mértékét a tapasztalati szórással jellemezzük.

A szórás és a precizitás fogalma

mértékét a tapasztalati szórással jellemezzük.

Mértékegysége a mért adatéval egyezik meg.

Ha ezt a jellemzést egy megismételt teljes kvantitatív

( )

1

1

2

−

−

=

∑

=

n x x s

n

i i

Ha ezt a jellemzést egy megismételt teljes kvantitatív analitikai mérési folyamat végeredményére (anyagmennyiség, koncentráció) tesszük meg, akkor szintén a fenti képletet alkalmazzuk és az eredmény a precizitás. Megadása a végeredmény után zárójelben szokásos, pl. 120 (21) mmol/L.

Egy másik, gyakran alkalmazott, a precizitással rokon mennyiség a relatív standard deviáció (RSD). Ez nem más, mint a szórásnak a mérési eredmények átlagával

A relatív standard deviáció (RSD)

más, mint a szórásnak a mérési eredmények átlagával normált értéke.

x vagy

RSD = s % = •100

x RSD s

A pontosság és precizitás viszonya

A koncentráció és a precizitás

Mellék- komponens Fő-

komponens

RSD

Nyom- szennyező

Koncentráció

Zavaró hatások

A minta nem mérendő egyéb komponensei, vagy a minta fizikai/kémiai jellemzői az analitikai mérés eredményére általában több-kevesebb indirekt hatással eredményére általában több kevesebb indirekt hatással vannak – ezeket zavaró hatásoknak nevezzük. A zavaró hatások természete, mértéke módszerről- módszerre eltérő. Két előzetes példa:

Az Ag⁺ ionok fehér csapadékot adó reakciója a Cl^- ionokkal általában jól alkalmazható a kloridionok jelenlétének kimutatására. Hg(II) ionok jelenlétében azonban a reakció csődöt mond a Hg(II) klorokomplexei miatt...

jelenlétében azonban a reakció csődöt mond a Hg(II) klorokomplexei miatt...

ez egy példa akémiai jellegűzavaró hatásokra.

Mintaoldatok porlasztással való bevitele a mérőberendezésekbe igen elterjedt megoldás az analitikában. A mintaoldat viszkozitása, felületi feszültsége érthetően befolyásolja a porlasztási folyamatot, vagyis két mintaoldat azonos analitkoncentráció esetén is eltérőmérési eredményt fog szolgáltatni… ez egy példa afizikai jellegűzavaró hatásokra.

Szelektivitás, specifikusság

Általában nem léteznek olyan „specifikus” reakciók, vizsgáló eljárások, amelyek zavaró hatásoktól teljesen mentesek (pl.

más komponensek jelenlététől tökéletesen függetlenül más komponensek jelenlététől tökéletesen függetlenül képesek mennyiségi vagy minőségi analitikai információt szolgáltatni).

Léteznek és jól használhatók azonban a szelektív reakciók, eljárások, amelyek egy korlátozott számú és ismert anyagokat tartalmazó rendszerben egyértelműen azonosítják anyagokat tartalmazó rendszerben egyértelműen azonosítják egy komponens jelenlétét vagy adják meg annak anyagmennyiségét. Egy módszer annál szelektívebb, minél kisebb számú és mértékű zavaró hatás terheli (például az atomi tömegspektrometria nagyon szelektív eljárás).