CHEM-A1210 ANALYYTTISEN KEMIAN OSIO. Lyhyt yhteenveto

Transkriptio

1 CHEM-A1210 ANALYYTTISEN KEMIAN OSIO Lyhyt yhteenveto 1

2 April 2018 Quantitative Chemical Analysis by Daniel C. Harris (2006, Hardcover) $10.00 Buy It Now Free Shipping View Details SAA OTTAA MUKAAN VÄLIKOKEESEEN MUTTA EI TENTTIIN! Quantitative Chemical Analysis by Daniel C. Harris, Harris by Daniel C. Harris Hardcover $3.99 Buy It Now Free Shipping 2

3 Ensimmäisen lukuvuoden aikana: (a) Analyyttisen kemian yleiset perusteet - Analyyttinen prosessi kokonaisuutena - Analyyttiset tasapainot - Kemiallisten tasapainojen yhdistettyä käsittelyä 3

4 (b) Klassiset analyyttiset menetelmät - Titraukset - Gravimetria 4

5 (c) Instrumentaalisten menetelmien perustiedot - Kemiassa ja biokemiassa yleiset instrumentaaliset menetelmät - Optiset menetelmät: Spektrofotometria, atomiabsorptiospektrometria ja atomiemissiospektrometria, IR -spektrometria IR EPR NMR 5

6 Tähän mennessä teillä on jo ollut: Spektrofotometria Transmittanssi T = P / P o jossa P o on näytteeseen saapuva valoteho ja P on näytteen läpi päässyt valoteho Absorbanssi A = log (P o / P) = - log T = b c = molaarinen aborptiokerroin (M -1 cm -1 ) b optisen tien pituus (cm), c on konsentraatio (M) Polykromaattori Nyt lisäksi miten kompleksointia voidaan hyödyntää spektrofotometriassa: Jos on unohtunut katso: AC 2.1: 6

7 Tämän salin lamppujen spektri mitattuna kämmenen kokoisella pikkulaitteella Nykyinen Hamamatsun malli 7

8 Tähän mennessä teillä on jo ollut: Atomiabsorptiopektrofotometria Nyt valon absorptio tapahtuu kaasufaasissa, joko liekissä tai grafiittiuunissa A = k c k = laite ja olosuhdekohtainen vakio Jos on unohtunut katso: Grafiittiuuneja Emissiospektrometriaa helpompi miniatyrisoida kuin AAS:ää Analytical Chemistry 2.1: 8

9 Tässä kurssiosiossa käsitellään lyhyesti seuraavia oppikirjan kirjan kappaleita: Kappale 0 Kappale 1 Kappale 3 Kappale 4 Kappale 5 Analyyttinen kemia ja analyyttinen prosessi Mittaukset Mittausvirheet ja mittausepävarmuus Statistiset tulostenkäsittelymenetelmät Kalibrointimenetelmät (harjoitustöitä) TASAPAINOT Kappale 6 Kappale 7 Kappale 8 Kappale 9 Kappale 1 Kemiallinen tasapaino Titraukset (harjoitustöitä) Aktiivisuus Tasapainojen systemaattinen käsittely EDTA-titraukset (harjoitustyö) 9

10 ELEKTROANALYYTTISET MENETELMÄT Kappale 13 Kappale 14 Kappale 16 Kappale 17 Sähkökemiallisen analytiikan perusteet Elektrodit ja potentiometria (harjoitustöitä) Hapetus-pelkistystitraukset Elektroanalyyttiset menetelmät VIRTAUSANALYYTTISET MENETELMÄT Kappale 23 Kappale 24 Kappale 25 Analyyttisten erotusmenetelmien perusteet Kaasukromatografia (harjoitustyö) (katetaan myös Kappaletta 22 Massaspektrometria) Suuren erotuskyvyn nestekromatografia Kapillaarielektroforeesi Virtausinjektioanalyysi 10

11 0.3 Analyyttinen prosessi (4) Analyysimenemetelmiin yleensä sisältyy - näytteen otto (edellisessä esimerkissä vaihe 1), jota yleensä seuraa - näytteen esikäsittely (edellä vaiheet 2-10), minkä jälkeen analyytin - määritys voidaan normaalisti tehdä jollakin instrumentaalisella (tai harvemmin klassisella analyyttisen kemian) menetelmällä. - Lopuksi pitää pystyä tekemään määrityksen mittausepävarmuusarvio. 11

12 Määrityksen edellytyksenä tyypillisesti on, että hallitaan systeemin liuostasapainot kaikissa vaiheissa (esim. protolyysi-, kompleksi-, liukoisuus ja redoxtasapainot) sekä instrumentointi (esim. potentiometria, spektrofotometria jne.). 12

13 0.3.4 Määritys Määritysmenetelmät jaetaan tavallisesti klassisiin kemiallisiin menetelmiin ja instrumentaalisiin menetelmiin. - Klassiset kemialliset menetelmät ovat yleensä ns. absoluuttisia menetelmiä (ei tarvita vertailustandardeja!) Esim. titraukset ja gravimetria Näillä menetelmillä on melko vähäinen merkitys nykyaikaisessa analytiikassa. 13

14 0.3.4 Määritys Määritysmenetelmät jaetaan tavallisesti klassisiin kemiallisiin menetelmiin ja instrumentaalisiin menetelmiin. - Klassiset kemialliset menetelmät ovat yleensä ns. absoluuttisia menetelmiä Esim. titraukset ja gravimetria - Instrumentaaliset menetelmät ovat yleensä ns. suhteellisia menetelmiä Perustuvat tavallisimmin materian ja (säteily)energian vuorovaikutuksiin. 14

15 Instrumentaalisia menetelmiä ovat mm. (1) Sähköiset menetelmät Sisältävät jännitteen, virran, johtokyvyn tai jonkin muun määritettävästä aineesta riippuvan sähköisen suureen mittaamisen. (2) Optiset ja rtg-menetelmät Perustuvat määritettävän aineen aiheuttaman sähkömagneettisen säteilyn absorptioon tai emissioon. (3) Muut menetelmät Kromatografiset menetelmät, joissa detektio toisinaan perustuu edellä lueteltuihin menetelmiin Perustuvat esim. määritettävän aineen radioaktiivisiin tai termisiin ominaisuuksiin jne. 15

16 1. Mittaukset SI-järjestelmässä ainemäärä n on kemiallisin perussuure, jonka yksikkönä on mooli [mol]. 1 mol kutakin ainetta sisältää Avogadron luvun osoittaman määrän ko. perusyksiköitä, tavallisimmin molekyylejä, atomeja, ioneja tai ioneja. Johdannaissuureista tärkein on konsentraatio c = n/v liuos [mol/l]. Konsentraation symbolin c sijasta usein käytetään hakasulkuja liuoksessa olevan yhd. tai ionin molemmin puolin (esim, [Ca 2+ ] = 0,100 mol/l ) Analyyttisessä kemiassa litra [l ja USA:ssa L] on täysin hyväksyttävä liuoksen tilavuuden (V liuos ) yksikkö ( 1 l = 1 dm 3 ). Konsentraatio on tavallisin pitoisuutta ilmaiseva suure analyyttisessa kemiassa ja engl. kielisessä tekstissä siitä käytetään nimitystä molarity, 16 jolloin yleensä dimensio mol/l korvataan lyhenteellä M.

17 Moolimassan tai molekyylimassan symbolina engl. kielisessä tekstissä on useimmiten MW Jotta käytäntö olisi tarpeeksi sekava, englanninkielisessä tekstissä concentration yleensä voidaan kääntää suomeksi sanalla pitoisuus, ja asiayhteydestä riippuen yksikkönä voi tällöin olla mm. g/l tai esim. ppm. Parts per million, lyhenne ppm, on prosentin kaltainen suhdeyksikkö, joka ilmaisee, kuinka monta miljoonasosaa jokin on jostakin. 1 % = ppm = ppb = ppt 1 ppm = 0,0001 % (Engl. billion on suomeksi miljardi ja trillion on 1000 miljardia) 17

18 Pitoisuuksien ilmaiseminen normaalisuuksina on pyritty viime vuosikymmeninä aktiivisesti unohtamaan, vaikkakin erityisesti ranskalaiset eivät millään hennoisi luopua ekvivalenteistaan ja normaalisuuksistaan. Toisinaan pitoisuusyksikkönä konsentraation sijasta mieluummin käytetetään molaalisuutta (molality) = n/m liuotin [mol/kg] Molaalisuuden etuna on, että sen arvo ei riipu lämpötilasta kuten konsentraation arvo Molaalisuudelle ei ole vakiintunutta symbolia, ja oppikirjamme käyttää yksikkönä kursiivilla merkittyä m:ää [ m = mol/kg]. Usein kiinteiden materiaalien ja liuostenkin osalta käytetään hivenkomponenttien pitoisuuden ilmaisemiseen ppm tai ppb yksiköitä. On kuitenkin selvempää ilmaista pitoisuus käyttäen yksiköitä g/g ( = ppm) tai g/ml ( ppm). Tietystikin 1 g/ml = 1 mg/l. Normaalisti kaasujen yhteydessä 1 ppm = 1 l/l. - Massa- ja tilavuusprosentit ovat myöskin käytössä pitoisuuden ilmaisukeinoina aina tekstistä ei valitettavasti ole helppo päätellä tarkoitetaanko massa- vai tilavuusprosentteja. 18

19 Olisi järkevää, jos määriteltäisiin : Tarkkuus (Accuracy) Oikeellisuus (Trueness) Toistotarkkuus (Precision) Harmillisesti vallitseva käytäntö oppikirjoissa kuitenkin yleensä edelleen on, että Accuracy ja Trueness ovat toistensa synonyymejä. 19

20 - Oppikirjan harjoitukseen 3-11 liittyvän kuvan avulla voidaan nämä virhetyypit helposti havainnollistaa, samoin kuin analyysimenetelmien tarkkuuteen liittyvät peruskäsitteet oikeellisuus (Trueness, Accuracy) ja toistotarkkuus (precision). - Alla olevan kuvan kohta (c) on analyyttisten menetelmien tavoite, joka tilanteesta riippuen saavutetaan paremmin tai huonommin. - Kohdan (c) tapauksessa oikea arvo saavutetaan hyvin tarkasti, eli systemaattista virhettä ei ole ja menetelmän siten oikeellisuus on hyvä. Myöskin toistotarkkuus on hyvä eli satunnaisvirhe on pieni. tavoite A B C D 20

21 Analyysimenetelmien tavoitteena on aina minimoida systemaattisen ja satunnaisvirheen määrä määrityksissä eli tavoitteena on menetelmä jonka oikeellisuus ja toistotarkkuus ovat hyviä Systemaattinen virhe voidaan havaita: (1) Tekemällä määrityksiä sertifioduista referenssimateriaaleista (certified reference materials, CRM), joita on kaupallisesti kovaan hintaan saatavissa (esim. NIST:stä, ks. oppikirjan Box 3-1) (2) Mittaamalla blankonäytteitä (analyyttiä sisältämättömiä näytteitä, tuloksena toivotaan saatavan vakioinen hyvin pieni signaali) (3) Tekemällä samasta näytteestä rinnakkaismäärityksiä toisella riippumattomalla menetelmällä. (4) Vertaamalla tuloksia toisissa laboratorioissa samasta näytteestä tehtyihin analyysituloksiin. 21

22 Satunnaisvirhe - johtuu sekä inhimillisistä tekijöistä että fysikaalisista ja kemiallisista syistä analyysiketjun eri vaiheissa - sen suuruus vaihtelee jonkin jakauman mukaisesti virheen ollessa yhtä hyvin positiivinen kuin negatiivinen - Satunnaisvaihtelun vuoksi rinnakkaismittauksien määrää lisäämällä voidaan parantaa analyysituloksen keskiarvon tarkkuutta. - Tyypillisesti on kuitenkin pyritty kustannussyistä siihen, että kaksi määritystä samasta näytteestä olisi riittävä määrä, mikä statistisesti on hyvin pieni otos. Systemaattinen virhe 22

23 3.3 Muita analyyttisen menetelmän suorituskykyä kuvaavia parametrejä Herkkyys, S, (sensitivity) on se vaste, jonka konsentraation muutos aiheuttaa mittasignaalissa. - Kalibrointikäyrän lineaarisella osalla herkkyys on suoran kulmakerroin ja kaarevalla osalla tangentin kulmakerroin. - Menetelmän herkkyys on optimaalisessa tapauksessa vakio, mutta voi myös muuttua konsentraation funktiona, erityisesti hyvin pienillä tai suurilla konsentraatioilla. Toteamisraja (engl. limit of detection) on se pitoisuus, jolla voidaan todeta, onko näytteessä määritettävää komponenttia vai ei. yl. blanko + 3 s Määritysraja (limit of quantitation tai quantification limit) on pienin pitoisuus, joka voidaan määrittää hyväksyttävällä oikeellisuudella ja toistotarkkuudella. yl. blanko s - Kirjallisuudessa esiintyy useita määritelmiä toteamis- ja määritysrajoille. Nämä määritelmät käytännössä kuitenkin tarkoittavat melko tarkasti samaa 23

24 Analyyttinen prosessi - näytteen otto - näytteen esikäsittely - määritys (voidaan normaalisti tehdä jollakin instrumentaalisella tai harvemmin klassisella analyyttisen kemian menetelmällä) - Lopuksi pitää pystyä tekemään määrityksen mittausepävarmuusarvio. Analyysituloksen kokonaisvarianssi ja varianssien yhdistäminen Analyysituloksen kokonaisvarianssi on analyysin eri vaiheisiin liittyvien osavarianssien summa. Vaiheet voidaan jakaa esim. kolmeen ryhmään: näytteenotto (s s2 ), näytteen esikäsittely (s p2 ) ja mittaus (s m2 ). Tällöin kokonaisvarianssi on: s 2 = s s2 + s p2 + s m 2 => s = (s s2 + s p2 + s m2 ) 1/2 Keskihajontoja ei siis voida laskea yhteen, mutta variansseja voidaan. 24

25 68 % 95 % 99.7 % Toteamisraja (engl. limit of detection) on se pitoisuus, jolla voidaan todeta, onko näytteessä määritettävää komponenttia vai ei. yl. blanko + 3 s Määritysraja (limit of quantitation tai quantification limit) on pienin pitoisuus, joka voidaan määrittää hyväksyttävällä oikeellisuudella ja toistotarkkuudella. yl. blanko + 10 s 25

26 Kalibrointimenetelmät Ulkoisten standardien menetelmä Standardinlisäysmenetelmä (tai konsentraation kasvu) 26

27 5.1.1 Ulkoisten standardien menetelmä Ulkoisten standardien menetelmässä mitataan mittalaitteen signaalit tarkasti tunnetuille pitoisuuksille. Kalibroinnin yhteydessä tutkitaan signaalin lineaarisuus laajalla pitoisuusalueella. Lineaarinen pitoisuusalue katetaan riittävällä määrällä liuoksia (yleensä vähintään viisi eri pitoisuutta). Ulkoisten standardien menetelmässä tunnettuja pitoisuuksia vastaavat signaalit mitataan ja mittauspisteiden kautta piirretään kalibrointisuora. Näytteen signaalia vastaava pitoisuus voidaan lukea suoraan kalibrointikuvaajalta. 27

28 5.1.2 Standardinlisäysmenetelmä Standardinlisäysmenetelmässä näytteestä otetaan vähintään kolme yhtä suurta osuutta. Kolmen liuoksen tapauksessa kahteen liuokseen lisätään analyyttiä eri määrä kumpaankin. Kullekin liuokselle mitataan signaali ja se esitetään lisätyn ainemäärän (tai konsentraation) kasvun funktiona. Näin muodostuu suora, joka leikkaa vaaka-akselin tuntematonta ainemäärää (konsentraatiota) vastaavassa kohdassa. (tai konsentraation kasvu) 28

29 5.1.3 Sisäisen standardin menetelmä Sisäisen standardin menetelmä perustuu siihen, että kalibrointiliuokseen lisätään tutkittavan aineen lisäksi jotain toista sopivaa ainetta, joka voidaan määrittää samalla kertaa analyytin kanssa. Analysoitavan aineen pitoisuudet kattavat koko kalibrointialueen, mutta toista ainetta, ns. sisäistä standardia, lisätään kaikkiin kalibrointiliuoksiin sama määrä. Kalibroinnin yhteydessä määritetään tutkittavan aineen vasteen suhde sisäisen standardin antamaan vasteeseen ja esitetään tämä analysoitavan aineen pitoisuuden funktiona. Kalibrointi sisäisen standardin menetelmässä perustuu edellytykselle, että käytetyillä pitoisuuksilla sekä tutkittavan yhdisteen että sisäisen standardin vasteet ovat suoraan verrannollisia konsentraatioihin. 29

30 Kun tutkittavassa näytteessä on tämä suhde määritetty, saadaan pitoisuus suoraan kuvaajalla: Toisinaan on riittävää käyttää vain yhtä tunnettua sisäisen standardin ja analyytin konsentraatiota, jolloin mitataan aluksi vastetekijä F alla olevasta yhtälöstä käyttäen tunnettua analyyttikonsentraatiota ja sisäisen standardin konsentraatiota: VASTE X /[X] = F (VASTE S /[S]), jossa VASTE X on esim. kromatogrammin piikin korkeus tai pinta-ala x:n retentioajalla analyytin konsentraation ollessa [X] S X VASTE S on sisäisen standardin vastaava vaste sen konsentraatiolla [S] 30

31 6. Kemiallinen tasapaino ja aktiivisuus Analytical Chemistry 2.1: Reaktiot molempiin suuntiin yhtä nopeita Lähtöaineiden ja tuotteiden ainemäärät näyttävät jäävän tietylle tasolle 31

32 Olkoon reaktio jälleen: aa + bb <-> cc + dd Tällöin tasapainovakio saa muodon: a Cc. a D d K a = a Aa. a B b jossa a i = komponentin aktiivisuus (Oppikirjamme käyttää aktiivisuuden symbolina pitkälti vakiintuneen pikku a:n sijasta jostakin syystä A:ta) 32

33 Aktiivisuus on suoraan verrannollinen aineen määrään seoksessa ja on dimensioton suure, joka riippuu aineen mooliosuudesta, konsentraatiosta tai molaalisuudesta (molaalisuuden symbolina tässä m A ) seuraavasti: a A = f A x A a A = A c A ( toinen esitystapa: a A = A c A /c o ) a A = y A m A joissa f A = mooliosuusaktiivisuuskerroin A = konsentraatioaktiivisuuskerroin y A = molaalisuusaktiivisuuskerroin Aktiivisuus on siis oikeastaan efektiivisen pitoisuuden tai määrän mitta 33

34 Ionivahvuus Ionivahvuus on ionien efektiivisen kokonaiskonsentraation mitta. Liuoksen ionivahvuus (yleensä I, oppikirjassa, ) määritellään seuraavalla tavalla I = ½ [i] z i 2 jossa [i] on ionin i konsentraatio z i on ionin i varaus ja summaus kattaa kaikki liuoksen ionilaadut. Lasketaan esimerkiksi 0,1 M ruokasuolaliuoksen ionivahvuus: I = ½ {[Na + ](1) 2 + [Cl - ] (-1) 2 } = ½ {(0,1 mol/l. 1 2 ) + (0,1 mol/l. (-1) 2 )} = 0,1 mol/l NaCl on ns. 1:1 elektrolyytti (molempien ionien varauksien itseisarvo = 1), joista aiheutuva ionivahvuus on sama kuin, ko. elektrolyytin kokonaiskonsentraatio 34

35 Aktiivisuuskertoimien arvioiminen Aktiivisuuskertoimien arvojen likiarvoja voidaan interpoloida taulukoista melko tarkasti, mutta n. ionivahvuuteen 0,5 mol/l asti likiarvot voidaan paremmalla tarkkuudella laskea ns. Daviesin kaavan (ei mukana oppikirjassa) tai laajennettun Debye-Hückelin yhtälön perusteella. (Peter Debye, Nobel 1936) Jälkimmäinen yhtälö määrittelee aktiivisuuskertoimen ja ionivahvuuden välisen riippuvuuden: (kun ionivahvuus hyvin pieni, termi merkityksetön ykkösen rinnalla) - log i = z i2 I / {1 + ( I/305} (25 o C) jossa i on ionin aktiivisuuskerroin z i on ionin varaus I on liuoksen ionivahvuus on hydratoituneen ionin säde pikometreinä 35

36 36

37 Debye-Hückelin yhtälön lisäksi on myös muita arviointimenetelmiä Pienissä ionivahvuuksissa kaikki laskukaavat ovat varsin hyvin yhtä pitäviä. Daviesin kaava on empiirinen laajennus Debye-Hückelin kaavaan ja palautuu samaksi, kun ionivahvuus lähestyy nollaa. Daviesin ja Truesdell-Jonesin laskukaavat pitävät paremmin paikkaansa suurissa ionivahvuuksissa 37

38 Tässä kurssissa käsitellään lyhyesti kertauksena happo-emästasapainoa, liuokoisuustasapainoja, kompleksi-tasapainoja ja hapetuspelkistystasapainoja sekä näiden tasapainojen yhdistämistä toisiinsa ns. ehtovakioiden ja sivureaktiokertoimien avulla ennen kuin siirrytään instrumenttianalytiikan pariin. - Yleensä tämän kurssin yhteydessä käytössä ovat konsentraatiotasapainovakiot (jotka pätevät tietyssä ionivahvuudessa). - Tyypillisesti tasapainoja käsittelevät mittaukset suoritetaan liuoksessa, jonka ionivahvuus on säädetty halutuksi (ts. käytetään ionivahvuutta, jossa tasapainovakiot tunnetaan esim. kirjallisuuden perusteella) - Kurssin perustella tulisi käsittää ero termodynaamisten tasapainovakioiden ja konsentraatiotasapainojen välillä ja aktiivisuuskertoimien ja ionivahvuuden merkitys. 38

39 - Koska vetyioni on kooltaan paljon pienempi kuin molekyylit ja muut ionit, se ei esiinny liuoksessa yksinään. - Se on aina liittyneenä muihin molekyyleihin tai ioneihin. - Veden kanssa se muodostaa oksoniumionin H 3 O +. - Oksoniumioni ei kuitenkaan kuvaa veteen solvatoitunutta protonia täydellisesti, koska todellisuudessa solvatoituneen protonin ympärillä on usean vesimol. muodostama klusteri. - Usein protoni merkitään reaktioyhtälöissä yksinkertaisesti H + :na. 39

40 40

41 Happo- ja emäsvakiot Happo hydrolysoituu vesiliuoksessa. HA + H 2 O <-> H 3 O + + A - Reaktion termodynaaminen tasapainovakio on: a H3O +. a A - K a = a HA. a H2O - Liuottimen aktiivisuus a H2O = 1 a H3O +. a A - K a = a HA 41

42 - Liuoskemiassa tarvitaan kuitenkin yleensä konsentraatiotasapainovakioiden arvoja: a H3O +. a A - y H3O +. y A - [H 3 O + ] [A - ] K a = =. a HA y HA [HA] y H3O +. y A - =. K c y HA - Happo-emästasapainoissa olosuhteet ovat usein sellaiset, että aproksimaatio K a K c ei ole oikeutettu. - Konsentraatiohappovakioden arvoja on kuitenkin löydettävissä tietyissä ionivahvuuksissa kirjallisuuden taulukoista. 42

43 ph:n määritelmä ph = - log a H+ (= - log a H 3O +) Myös ph-mittarilla mitataan käytännössä vetyionin aktiivisuutta eikä konsentraatiota. Yleensä on kuitenkin riittävän tarkkaa aproksimoida: ph = - log [H + ] Tämä pitää hyvin tarkasti paikkaansa puhtaassa laimeissa vesiliuoksissa, koska vetyionin ja hydroksidi-ionin aktiivisuuskertoimet Ovat hyvin lähellä ykköstä. 43

44 Jakaantumisdiagrammit H 2 A HA - A 2- Käyrät piirretään normaalisti tietokoneella (esim. acid-base ohjelma). Eesimerkkinä 2-arvoisen fumaarihapon puolilogaritminen jakaantumisdiagrammi. 44

45 [H 2 PO 4- ] [H 3 PO 4 ]. protolyyttiväkevyyksiä kuvaavien suorien kulmakertoimet muuttuvat aina yhdellä yksiköllä systeemipisteen kohdalla Esim. log [H 3 PO 4 ] vs. ph suora o o kulmakerroin -1-2 kohdassa ph = pk H2PO4- kulmakerroin -2-3 kohdassa ph = K HPO42-45

46 Ton ilmaisohjelman uusin versio löytyy täältä: Options: - ph calculation - virtual titration - acid-base titration curve data analysis - distribution diagram generation - pk a database Muita: 46

47 10.7 Happo-emästitraukset ja titrimetria yleisesti (AC 2.1: Titraus on analyyttinen tekniikka, joka perustuu liuostilavuuden tarkkaan määrittämiseen. Määritettävän aineen ja mittaliuoksen kesken tapahtuu stoikiometrinen reaktio. Kun mittaliuoksen tarkka konsentraatio ja tilavuus tunnetaan, saadaan ainemäärä ja edelleen määritettävän yhdisteen määrä voidaan laskea. Titraukset ovat vanhimpia analyysimenetelmiä, mutta edelleenkin hyvin tarpeellinen menetelmäryhmä laboratorioissa. 47

48 Titraukset perustuvat pääasiassa seuraaviin reaktiotyyppeihin: (1) Happo-emäsreaktio (2) Kompleksinmuodostumisreaktio (3) Hapettumis-pelkistymisreaktio (4) Saostusreaktio Jotta titraus olisi käyttökelpoinen analyyysimenetelmä: (i) Reaktion pitää olla kvantitatiivinen ja riittävän nopea. (ii) Pitää olla sopiva mittaliuos, jonka konsentraatio voidaan määrittää tarkasti. (iii) Titrauksen ekvivalenttipiste on voitava havaita. 48

49 Titraus pyritään lopettamaan siihen pisteeseen, jossa stoikiometrinen reaktio juuri on tapahtunut. Tätä pistettä kutsutaan ekvivalenttipisteeksi eli teoreettiseksi päätepisteeksi (engl. equivalence point). Titrauksen päätepiste (end point) on piste, jossa titraus käytännössä lopetetaan. Tällöin havaitaan jokin muutos liuoksessa tai mittaussysteemissä. Pyrkimyksenä on lopettaa titraus juuri ekvivalenttipisteessä. 49

50 Titrauksia voidaan suorittaa seuraavilla periaatteilla: (i) (i) Suora titraus, jossa mittaliuos reagoi suoraan määritettävän aineen kanssa. Takaisintitraus (engl. back-titration) - näytteesen lisätään tietty määrä näytteen kanssa reagoivaa reagenssia (lisätään ylimäärin). - Reaktion tapahduttua titrataan mittaliuoksella jäljellä oleva reagenssi. - Takaisintitrausta käytetään esimerkiksi silloin, kun määritettävä aine reagoi hitaasti. (iii) Epäsuora titraus (indirect titration) - näytteeseen lisätään näytteen kanssa reagoivaa reagenssia, ja syntynyt reaktiotuote titrataan mittaliuoksella. 50

51 Teollisuuden laboratorioissa titraukset tehdään tavallisesti automaattisilla titraattoreilla. Tällaiseen titraattoriin on yleensä yhdistetty sähkökäyttäinen mäntäbyretti, näyteastia, anturi, joka määrittää titrauksen päätepisteen, sekoitin ja mittaliuospullo. Mikroprosessori, mikrokontrolleri tai pc ohjaa laitetta ja suorittaa tarvittavat laskutoimitukset. Titraattoriin voidaan liittää automaattinen näytteenvaihtaja, jolloin titraattori voidaan ohjelmoida titraamaan näytesarjoja. Titraattori rekisteröi titrauksen kuluessa titrauskäyrän ja laskee tavallisesti sen derivaattakäyrän. Titrauksen päätepisteeksi katsotaan derivaattakäyrän maksimikohta eli kohta, jossa titrauskäyrässä tapahtuu jyrkin muutos. 51

52 Alla olevassa kuvassa on eri voimakkuisten 0,1 M happojen titrauskäyriä titrattaessa niitä 0,1 M vahvalla emäksellä (NaOH-lioksella). Ekvivalenttipiste saavutetaan, kun titrausastiaan lisätyn hapon ja emäksen ainemäärät ovat yhtä suuret (X= 1). Kun ph-hyppäys on suuri, väri-indikaatorin käyttö sopii hyvin (värinmuutosalue n. 2 phyksikköä) 52

53 Etikkahapon titraus titraus ja logarimisen kuvaajan käyttö titrauskäyrän piirtämisessä: Logaritmisesta diagrammista saadaan alku- ja loppu-ph sekä ekvivalenttipisteen paikka. 53

54 Kolmiemäksisen fosforihapon titraus: Puskurivaikutus Puskurivaikutus Puskurivaikutus 54

55 Puskuriliuokset 55

56 Puskuriliuos yksinkertaisimmillaan on: (1) Heikon hapon (HA) ja sitä vastaavan emäksen (A - ) välinen liuos. (2) Heikon emäksen (B) ja sitä vastaavan hapon (BH + ) välinen liuos. - Jos H 3 O + - tai OH - -pitoisuus liuoksessa muuttuu, siirtyy tasapaino sellaiseen suuntaan, että muutos eliminoituu (Le Chatelierin periaate). - Tasapainon säilyminen edellyttää, että liuoksessa on riittävä määrä happoa ja emästä. - Puskuriliuos valmistetaan tavallisesti lisäämällä heikkoon happoon vastaavaa emästä tai heikkoon emäkseen vastaavaa happoa. - Puskuriliuos saadaan myös osittain neutraloimalla joko heikkoa happoa vahvalla emäksellä tai heikkoa emästä vahvalla hapolla. 56

57 ph = pk HA + log ([A - ] / [HA]) - Yhtälöstä nähdään heti, että kun happo- ja emäsmuodon konsentraatiot ovat yhtä suuret, ph = pk HA (log 1 = 0). - Tämä on myös ko. hapon titrauskäyrällä puoliksi neutraloitu piste. - Le Chatelierin periaatteesta seuraa, että kyseisessä ph:ssa puskuriliuos kykenee parhaiten vastustamaan ph:n muutosta, eli sen puskurikapasiteetti on parhaimmillaan (ks. myöh.). 57

58 Esimerkki: kahden eri puskuriaineen puskuriliuosseoksen puskurikapasiteetin ph-riippuvuus - puskuriseos: 1.00x10-1 M H 2 C:n ja HB:n happoseos - protolyysireaktiot H 2 C + H 2 O <-> H 3 O + + HC - K H2C = 1.0x10-4 HC - + H 2 O <-> H 3 O + + C 2- K HC - = 1.0x10-10 HB + H 2 O <-> H 3 O + + B - K HB = 1.0x10-7 yleisen puskurikapasiteettiyhtälön perusteella laskettu seoksen vs. ph käyrä: Happoseoksen puskurikapasiteetti on varsin hyvä koko ph-alueella H + OH - Yksittäisen happoliuoksen puskurikapasiteetti on hyvä vain kapealla ph alueella, ts. kun pk i 1.5 ph 58 58

59 Mitä väkevämpi puskuriaine, sitä enemmän puskurikapasiteettia kunkin pk a :n kohdalle 59

60 Liuenneet aineet solvatoituneina (hydratoituneina) Jopa elektroneja voidaan solvatoida ja hydratoida! Veden dipoliominaisuudet keskeisiä Hydratoituneen vetyionin malleja Solvatoitunut elektroni nestemäisessä ammoniakissa Hydratoituneen elektronin e aq - malleja 60

61 Miten saadaan veteen solvatoitunutta eli hydratoitunutta elektronia liuokseen? Esim. liuottomalla veteen natriumkloridia, joka sisältää loukkuuntuneita elektroneja (trapped electrons) Mutta kaikkein yleisimmin säteilyttämällä vettä korkeaenenergisillä fotoneilla tai korkeaenergisellä elektronisuihkulla E o (e aq- ) = -2.9V vs. SHE E o (HO. ) = 2.7 V vs. SHE 61

62 Lähinnä vain alkali ja maa-alkalimetallit esiintyvät vesiliuoksessa vapaina metalli-ioneina ja muut ovat vesikomplekseina: Tällöin voimakkaampien kompleksien muodostusreaktiot ovat ligandinvaihtoreaktioita, joissa vesi vaihtuu muihin ligandeihin. Tätä ei kuitenkaan yleensä merkitä näkyviin, ja kompleksinmuodostusreaktioita käsitellään ikään kuin kaikki metallionit esintyisivat alkalimetalli- Ionien tavoin vapaana ionina vesiliuoksissa. 62

63 13. KOMPLEKSITASAPAINOT Johdanto Kompleksin määritelmä: kahden tai useamman ionin tai molekyylin välisessä reaktiossa muodostuva yhdiste, jonka komponentit ( spesiekset ) voivat tietyissä olosuhteissa esiintyä erikseen. - Kompleksiyhdiste voi olla joko neutraali molekyyli, positiivinen tai negatiivinen ioni. - Tyypillisimmin kompleksit ovat kovalenttisia yhdisteitä, jotka muodostuvat metalli-ionin ympärille siten, että sen ympärille kertyvät yhdisteet tai ionit luovuttavat kuhunkin muodostuvaan sidokseen kokonaisen elektronipariin. - Spesiestä L (molekyyli tai ioni), joka on koordinoitunut keskusioniin kutsutaan ligandiksi ja tämän tyyppisiä kovalenttisia sidoksia kutsutaan koordinatiivisiksi sidoksiksi. - Huom. sidosten muodostuessa metalli-ionit toimivat Lewisin happoina ja ligandit Lewisin emäksinä. 63

64 E 64

65 Esim. 1 : 1 kompleksi: M 3+ + L - ML 2+ K f jossa M 3+ L - K f on keskusatomi(ioni) on ligandi on kompleksin ML 2+ muodostumiseli pysyvyysvakio (formation); (yleensä alaindeksiä f ei merkitä näkyviin vaan käytetään järjestysnumeroita kuvaamaan kyseistä 1:1, 1:2 jne. kompleksin muod. reakt). 65

66 - Ligandeja kutsutaan joko yksihampaisiksi, kaksihampaisiksi, jne. riippuen siitä, kuinka monta elektroniparin luovuttajaksi soveltuvaa donoriatomia sen rakenteessa on mukana eli kuinka monen atomin kautta ligandi voi koordinoitua keskusioniin. - Sidosten kokonaismäärä ligandeilta keskusioniin on keskusionin koordinaatioluku. - Tavallisesti metallikomplekseilla koordinaatioluku on 2, 4 tai 6 ja joskus jopa

67 esim. yksihampainen ligandi, joka sitoutuu keskusatomiin yhdellä sidoksella: 1 : 4 kadmium(ii)-metyyliamiini-kompleksi esim. kaksihampainen ligandi, joka sitoutuu keskusatomiin kahdella hampaalla: 1 : 2 kadmium(ii)-etyleenidiamiini-kompleksi 67

68 Kun sama ligandi on koordinoitunut useamman atominsa välityksellä keskusioniin saa muodostuva kompleksi rengasmaisen rakenteen. Tällaisia metallikomplekseja kutsutaan kelaateiksi. Kelaattien pysyvyysvakiot ovat usein hyvin suuria ja tästä johtuen niiden muodostumiseen liittyy useita analyyttisiä sovellutuksia. Usein käytettyjä kelatoivia ligandeja: 68

69 6-hampainen ligandi Cr(III) EDTA 69

70 Komplekseilla on myös tärkeä merkitys luonnossa ja biologisissa systeemeissä: esim. magnesium(ii) adenosiinitrifosfaatti(atp)- kompleksi, jossa ATP on neljähampainen ligandi ja K + :n nonaktiinikompleksin muodostuminen: Nonactin is a cyclic ionophore and part of the macrotetrolide antibiotics family. The ionophore is commonly produced by several species of Streptomyces which selectively binds K + and NH 4+. Nonactin has been observed to function by binding a metal ionophore and transporting it across cell membranes for release. The compound can functionally perform this transport due to its conformational flexibility and hydrophobic exterior. + Nonaktiini 70

71 Esimerkkejä tärkeistä biokomplekseista: 71

72 13.2. Kompleksin muodostumista kuvaavat tasapainovakiolausekkeet Esimerkki: yksinkertainen kompleksitasapaino (huom. keskusatomin ja ligandin mahdolliset varaukset on jätetty merkitsemättä yksinkertaisuuden vuoksi = laiskuuden vuoksi ) M + L ML K 1 (= K ML ) ML + L ML 2 K 2 (= K ML2 ) - konsentraatiotasapainovakiolausekkeet määritellään seuraavasti K 1 K 2 = [ML] / [M] [L] = [ML 2 ] / [ML] [L] jossa K 1 on kompleksin ML pysyvyysvakio K 2 on kompleksin ML 2 pysyvyysvakio 72

73 Tämän kompleksitasapainon kokonais- eli bruttoreaktio on M + 2L ML 2 2 jonka konsentraatiotasapainovakio määritellään seuraavasti 2 = [ML 2 ] / [M] [L] 2 jossa 2 on kompleksin ML 2 pysyvyystulo Pysyvyysvakioiden ja pysyvyystulon välinen riippuvuus: K 1. K 2 = [ML] / [M] [L]. [ML 2 ] / [ML] [L] = 2 73

74 Yleistä kompleksitasapainoa M + L ML ML + L ML 2 ML 2 + L ML 3 ML n-1 + L ML n kuvaavat tasapainovakiolausekkeet voidaan kirjoittaa seuraavasti: pysyvyysvakiolausekkeet pysyvyystulolausekkeet K 1 = [ML] / [M] [L] 1 = [ML] / [M] [L] K 2 = [ML 2 ] / [ML] [L] 2 = [ML 2 ] / [M] [L] 2 K 3 = [ML 3 ] / [ML 2 ] [L] 3 = [ML 3 ] / [M] [L] 3 K n = [ML n ] / [ML n-1 ] [L] n = [ML n ] / [M] [L] n pysyvyystulo- ja pysyvyysvakiolausekkeiden välinen riippuvuus 1 = K 1 2 = K 1 K 2 3 = K 1 K 2 K 3 n = K 1 K 2 K 3 K n 74

75 Protonikompleksin tasapainovakiolauseke Protoni-kompleksin määritelmä: emäksen ja oksonium-ionin välisessä reaktiossa muodostuva protonikompleksi - esim. happoa H 2 A vastaavien emästen A 2- ja AH - protonikompleksien muodostuminen A 2- + H 3 O + AH - + H 2 O K 1 AH - + H 3 O + AH 2 + H 2 O K 2 jonka pysyvyysvakiolausekkeet ovat edellä esitetyn perusteella K 1 = [AH - ] / [A 2- ] [H 3 O + ] K 2 = [AH 2 ] / [AH - ] [H 3 O + ] 75

76 Protonikompleksin ja vastaavan hapon pysyvyys- ja happovakioiden välinen riippuvuus - esimerkki: emäkset A 2- ja AH - ja niitä vastaava happo H 2 A kerrotaan pysyvyysvakio- ja happovakiolausekkeet keskenään (huom. [AH - ] = [HA - ]): K 2. K H2A = ([AH 2 ] / [AH - ] [H 3 O + ]) ([H 3 O + ] [HA - ] / [H 2 A]) K 2 = 1 / K H2A ja vastaavasti K 1. K HA- = [AH - ] / [A 2- ] [H 3 O + ]. [H 3 O + ] [A 2- ] / [HA - ] K 1 = 1 / K HA- Jos siis tunnetaan hapon HA happovakion arvo, niin happoa vastaavan emäksen A - protonikompleksin pysyvyysvakion arvo voidaan aina laskea sen käänteisarvona 76

77 Metalli-ionikompleksin ehtovakiolauseke Kompleksitasapainot esiintyvät yleensä käytännön olosuhteissa, joissa muillakin tasapainoilla, kuten happo-emäs tasapainoilla tai liukoisuustasapainoilla voi olla tärkeä merkitys. Åbo Akademin analyyttisen kemian professori Anders Ringbomin kehittämien ehtovakioiden ja sivureaktiokertoimien avulla hyvinkin monimutkaisten samanaikaisten tasapainojen käsittelyä voidaan huomattavasti yksinkertaistaa. Harrisin kirjassa sivureaktiokertoimet on kuitenkin jostakin syystä määritelty nurin päin normaaliin vakiintuneeseen käytäntöön nähden. Esimerkki: tarkastellaan M 2+ -ionin ja ligandin L 4- välistä kompleksitasapainoa, jossa L 4- muodostaa neljä protonikompleksia 77

78 - todellinen kompleksitasapaino esim. kompleksometrisiin titrauksiin valittavissa olosuhteissa: M 2+ + L 4- <-> ML 2- K ML2- ei sivureaktiota ei sivureaktiota protonikompleksisivureaktiot johon kuuluvat: L 4- + H 3 O + LH 3- + H 2 O K 1 LH 3- + H 3 O + LH H 2 O K 2 LH H 3 O + LH H 2 O K 3 LH H 3 O + LH 4 + H 2 O K 4 - pääreaktio: kehystetty reaktio, jonka pysyvyysvakio on K ML2- - sivureaktio: pääreaktioon osallistuvan komponentin jokin muu tasapainoreaktio, jonka pysyvyysvakiot ovat K 1, K 2, K 3 ja K 4 78

79 Todellinen kompleksitasapaino on yleensä varsin monimutkainen kompleksitasapainoa kuvataan usein käyttämällä ns. ehtovakiota K ML2-*, mikä ottaa huomioon sivureaktion/sivureaktioiden vaikutuksen kompleksin ML 2- muodostumiseen Ehtovakion K ML* määritelmä: K ML * = [ML'] / [M'] [L'] = ( ML / M L ). K ML jossa [i'] on pääreaktiokomponentin i ns. vapaa (eli pilkutettu) konsentraatio (vrt. alla) K ML on pääreaktiossa muodostuvan kompleksin ML pysyvyysvakio i on pääreaktiokomponentin i sivureaktiokerroin (ks. myöh.) 79

80 Pääreaktiokomponentin i pääreaktiosta vapaa väkevyys [i']: - tarkastellaan esimerkkinä edellä esitettyä kompleksitasapainoa, jossa ligandilla L 4- on sivureaktio (esim. EDTA) [L'] = [L 4- ] + [LH 3- ] + [LH 2 2- ] + [LH 3- ] + [LH 4 ] - ts. [L'] on se väkevyys, mikä sisältää kompleksitasapainossa olevien kaikkien muiden L-komponenttien väkevyyden paitsi pääreaktiossa muodostuvan kompleksin ML 2-80

81 Pääreaktiokomponentin sivureaktiokertoimen i(j) määritelmä: i(j) = [i'] / [i] jossa i(j) on pääreaktioon osallistuvan komponentin i sivureaktiokerroin komponentin j suhteen [i] on pääreaktioon osallistuvan komponentin i tasapainoväkevyys [i'] on komponentin i vapaa väkevyys Sivureaktiokerroin on siis sivureaktion merkittävyyden mitta. (Vissiinkin analyytikkojen kreikkalaisten aakkosten tuntemus riittää Vain beettaan asti, kun taas on alfa uusiokäytössä ) 81

82 - kun keskusionilla M 2+ ja kompleksilla ML 2- ei ole sivureaktioita ( M = 1 ja ML = 1) i(j) = [M'] / [M 2+ ] = 1 [M'] = [M 2+ ] (kaikki se M 2+, mikä ei ole pääreaktion mukaisena kompleksina ML 2- on siis nyt vapaana ionina) i(j) = [ML'] / [ML 2- ] = 1 [ML'] = [ML 2- ] (Pääreaktion tuote ML 2- ei nyt esiinny missään muussa muodossa) 82

83 Esimerkki: lasketaan edellä esitetyn kompleksitasapainon ligandin L 4- sivureaktiokerroin oksonium-ionin suhteen L4-(H3O + ) - sivureaktiokertoimen määritelmän perusteella L4-(H3O + ) = [L'] / [L 4- ] = ([L 4- ] + [LH 3- ]+ [LH 2 2- ] + [LH 3- ] + [LH 4 ]) / [L 4- ] = 1 + [LH 3- ] / [L 4- ] + [LH 2 2- ] / [L 4- ] + [LH 3- ] / [L 4- ] + [LH 4 ] / [L 4- ] 1 = [LH 3- ] / [L 4- ] [H 3 O + ] [LH 3- ] / [L 4- ] = 1 [H 3 O + ] 2 = [LH 2-2 ] / [L 4- ] [H 3 O + ] 2 [LH 2-2 ] / [L 4- ] = 2 [H 3 O + ] 2 3 = [LH 3- ] / [L 4- ] [H 3 O + ] 3 [LH 3- ] / [L 4- ] = 3 [H 3 O + ] 3 4 = [LH 4 ] / [L 4- ] [H 3 O + ] 4 [LH 4 ] / [L 4- ] = 4 [H 3 O + ] 4 L4-(H3O + ) = [H 3 O + ] + 2 [H 3 O + ] [H 3 O + ] [H 3 O + ] 4 83

84 Log K* 84

85 Seuraavan tyyppisiä logaritmisia ja puolilogaritmisia diagrammeja voi laskea ja piirtää esim. JEC Acid-Base ohjelman kaltaisilla ohjelmilla. (Kalle kokeili, että tämä ohjelma toimii DOS-emulaattorilla, eli tämä on asiasta kiinnostuneille saatavissa laskareista Kallelta.) Esim. pitkälti vastaava Excel-pohjainen freeware ohjelma ladattavissa (vissinkin jonkinlainen excelin skini): 85

86 13.4. Kompleksometrinen titraus Titrauskäyrä Kompleksometrisen titrauksen titrauskäyrässä esitetään kompleksometrisen reaktion M + L <-> ML K ML (sivureaktio) sivureaktio (sivureaktio) analyytin M pm' (-log [M']) mittaliuoksen eli titrantin L lisäyksen V (tai titrausfraktion f) funktiona 86

87 Titrauskäyrän ekvivalenttikohdan hyppäys on sitä suurempi mitä suurempi on titrauksessa muodostuvan kelaatin ML ehtovakio K ML *. K* = 3,2 x Kun pm-hyppäys on suuri, väri-indikaatorin käyttö sopii hyvin K* = 6,2 x

88 Kompleksinmuodostureaktioita voidaan hyödyntää myös muilla tavoille kuin titrauksissa erilaisten instrumentaalisten menetelmien yhteydessä (esim. spektrofotometria ja fotoluminometria). Esim. raudan määritys spektrofotometrisesti Sekä perinteisemmät leima-ainesovellukset että energiansiirtomenetemät biaffiniteettimäärityksissä 88

89 Liukoisuustasapainon ehtoliukoisuustulo Ehtoliukoisuustulon määritelmä: yleisen liukoisuus-tasapainon M x L y (s) <-> xm y+ + yl x- K sp,mxly sivureaktiot sivureaktiot ehtoliukoisuustulo K sp,mxly * määritellään seuraavasti: K sp,mxly * = [M'] x [L'] y = My+ Lx- K sp,mxly 89

90 K sp,mxly * = [M'] x [L'] y = My+ Lx- K sp,mxly jossa [M'] on se M y+ -konsentraatio, mikä ei ole sitoutunut anionin L x- kanssa [L'] on se L x- -konsentraatio, mikä ei ole sitoutunut kationin M y+ kanssa My+ on kationin M y+ sivureaktiokerroin Lx- on anionin L x- sivureaktiokerroin K sp,mxly on pääreaktion liukoisuustulo Eli itse asiassa siis saostusreaktio valitaan pääreaktioksi! 90

91 Esimerkki: kuinka paljon hopeakloridin liukoisuus muuttuu kyllästetyssä liuoksessaan, jos liuos tehdään 1.0 M:ksi ammoniakin suhteen? (Liukoisuustulo: K sp,agcl = , tasapainovakiot: K AgNH3+ = ja K Ag(NH3)2+ = ). - Liukoisuustasapaino AgCl(s) Ag + + Cl - K sp,agcl ei sivureaktioita Ag + + NH 3 <-> AgNH + 3 K + Ag(NH3) AgNH 3+ + NH 3 <->Ag(NH 3 ) + 2 K 2+ Ag(NH3) - huom. liuos on voimakkaasti emäksinen (ph = 11.7) ammoniakin protoni-kompleksia Jakaantumisdiagrammi n. sivulla 269 prujuissa NH 3 + H 3 O + <-> NH 4+ + H 2 O K NH4+ = ei tarvitse ottaa huomioon tässä liukoisuustasapainossa 91

92 AgCl-liukoisuus ennen NH 3 -lisäystä - tehtävä ratkaistaan liukoisuustulon K sp,agcl perusteella K sp,agcl = [Ag + ] [Cl - ] = s = [Ag + ] = [Cl - ] = M AgCl-liukoisuus NH 3 -lisäyksen jälkeen - tehtävä ratkaistaan ehtoliukoisuustulon K sp,agcl * perustella 92

93 K sp,agcl* = [Ag'] [Cl'] = Ag+(NH3) Cl - K sp,agcl jossa Cl - = 1.0 Ag+(NH3) = [Ag']/ [Ag] = ([Ag] + [Ag(NH 3 )] + [Ag(NH 3 ) 2 ])/ ([Ag] = [NH 3 ] + 2 [NH 3 ] 2 Ag+(NH3) = K sp,agcl * = [Ag'] [Cl'] = Ag+(NH3) Cl - K sp,agcl = s = [Ag'] = [Cl'] = M ts. liukoisuus kasvoi 4000 kertaiseksi. 93

94 Esimerkki: tunnetaan tasapainoreaktiot PbSO 4 (s) <-> Pb 2+ + SO 2-4 K sp,pbso4 = 2.00x10-8 H 3 L + H 2 O <-> H 3 O + + H 2 L - K H3L = 1.00x10-2 H 2 L - + H 2 O <-> H 3 O + + HL 2- K - H2L = 2.50x10-3 HL 2- + H 2 O <-> H 3 O + + L 3- K HL2 - = 1.60x10-10 Pb 2+ + L 3- <-> PbL - K - PbL = 6.30x10 11 Laske lyijysulfaatin liukoisuus hapon H 3 L 1.00x10-3 M liuoksessa, jonka ph on

95 Tasapainosysteemi: PbSO 4 (s) <-> Pb 2+ + SO 4 - K sp,pbso4 = Ei sivureaktioita (vasta hyvin happ. liuoks.) Pb 2+ + L 3- <-> PbL -, K PbL- = Ei sivureaktioita L 3- + H 3 O + = LH 2-, K 1 = LH 2- + H 3 O + = LH 2-, K 2 = LH 2- + H 3 O + = LH 3, K 3 =

96 (1) Kompleksitasapaino - Ehtovakion K PbL -* laskeminen: PbL - K PbL -* =. K PbL - Pb 2+ L 3- (H3O + ) jossa, PbL- = 1 ja Pb 2+ = 1 sekä L 3- (H3O + ) = 1+ 1 [H 3 O + ] + 2 [H 3 O + ] [H 3 O + ] 3 = 6,28x10 4 K PbL -* = 6, /6, = 1,

97 (2) Liukoisuuustasapaino - Ehtoliukoisuustulon K sp,pbso4* laskeminen: K sp,pbso4* = 2+ Pb (L) 2- SO4 K sp,pbso4 jossa 2- SO4 = 1 ja 2+ Pb (L) = 1 + K -* PbL [L ] = x = K sp,pbso4* = = PbSO 4 -liukoisuus K sp,pbso4* = [Pb 2+' ] [SO 2-' 4 ] = s = = M =========== eli liukoisuus kasvoi kompleksinmuodostajan vuoksi 100 kertaiseksi näissä olosuhteissa 97

98 Logaritmisen liukoisuusdiagrammin piirtäminen 1. piirrä koordinaatisto log [i] vs. pl x- (tai vs. pm) 2. merkitse y- ja x-akselien leikkauspisteet pisteiden kautta kulkeva suora kuvaa edellä esitettyä liukoisuustuloyhtälöä 3. piirrä x-akselin suuntainen suora log [i] = log C My+ suora kuvaa kationin M y+ kokonaiskons. C My+ 98

99 suorien leikkauspisteen vasemmalla puolella oleva osa kuvaa varsinaista liukoisuustasapainoa (ts. liuoksessa on kiinteätä M x L y (s) faasia) jos liuokseen, jonka M y+ -kokonaisväkevyys on C My+, lisätään anionia L x-, niin kationi M y+ alkaa saostua suorien leikkauspistettä vastaavalla [L x- ] arvolla Saostuminen alkaa Ligandilisäys Huom. Liukoisuustasapainon logaritminen kuvaaja voidaan esittää myös koordinaatistossa log [L x- ] vs. pm y+ ) 99

100 Esimerkki: Arvioi liukoisuustasapainojen AgCl(s) <-> Ag + + Cl - K sp,agcl = AgI(s) <-> Ag + + I - K sp,agi = logaritmisen kuvaajan perusteella, voidaanko Cl - - ja I - - ionit erottaa toisistaan kvantitatiivisesti Ag + -saostuksella seoksesta, jossa [Cl - ] on M ja [I - ] M? - Liukoisuustasapainojen logaritminen kuvaajan perusyhtälö on log [L x- ] = x/y pm y+ - 1/y pk MxLy log [Cl - ] = pag ja (esit. nyt pag:n funkt.) log [I - ] = pag KVANTITATIIVISELLA tarkoitetaan yleensä 99.9 % tai 99,99%, mutta se tulee spesifioida. 100

101 I - - ionista saostunut: Tähän saakka saostuu Vain I M M 10-2 M [I - ] pienenee siis 10-2 M 10-7 M x 100 = 99,999% Yhteenveto - I - - ioni alkaa saostua kohdassa pag' = Cl - -ioni alkaa saostua kohdassa pag, =

102 14. ELEKTROANALYYTTISTEN MENETELMIEN PERUSTEISTA (Analytical Chemistry 2.1: Johdanto Tämä kappale käsittelee sähkökemiallisten kennojen perusteita ja luo pohjan sähkökemiallisten analyysimenetelmien käytölle. Huomattavassa osassa analyyttistä kemiaa määritykset perustuvat sähköisiin mittauksiin. Tässä vaiheessa käsitellään aluksi sähkökemiallisten määritysmenetelmien peruskäsitteitä. Kuitenkin varsinaisista analyysimenetelmistä käsitellään lähinnä vain potentiometrisiä ja sähkögravimetrisia menetelmiä. Muita menetelmiä, kuten coulometrisiä ja voltammetrisia analyysimenetelmiä, kuvataan lähinnä vain periaatteelisesti. 102

103 Esimerkki: e - Fe 3+ + Cu + Fe 2+ + Cu 2+ (14-1) hapetin pelkistin Reaktiossa hapettavana aineena toimii Fe(III) ioni ja pelkistävänä aineena Cu(I) ioni Fe(III) ottaa vastaan elektronin Cu(I):ltä eli Fe(III) pelkistyy Fe(II):ksi ja Cu(I) hapettuu Cu(II):ksi Tässä reaktiossa Fe(III) on vahvempi hapetin kuin Cu(II), minkä vuoksi reaktio etenee kirjoitettuun suuntaan Vastaavasti Cu(I) on vahvempi pelkistin kuin Fe(II) Vahvin yleisesti tunnettu hapetin on fluoriatomi (F. ) ja vahvin pelkistin litiumatomi (Li). 103

104 Elektroanalyyttiset menetelmät 104

105 Yhteys kemian ja sähköisten mittausten välillä Fe 3+ + Cu + Fe 2+ + Cu 2+ (14-1) - Edellä reaktiossa (14-1) tarvittiin 1 mooli elektroneja hapettamaan 1 mooli Cu + -ioneja ja pelkistämään 1 mooli Fe 3+ -ioneja - Jos siis tiedetään montako moolia elektroneja reaktiossa siirtyy tiedetään montako moolia tuotteita reaktiossa syntyy. Sähkögravimetria Coulometria - Toisaalta myöhemmin nähdään myös, että jos sähkökemiallisessa kennossa tapahtuu reaktio (14-1), reaktion standardi Gibbsin energian muutoksen tunnettua arvoa ja potentiaalimittauksia voidaan käyttää ionien pitoisuuksien määritykseen yksinkertaisessa systeemissä. Potentiometria 105

106 Siirtyvän varauksen (sähkömäärän) mittaus - Sähköisen varauksen (sähkömäärän) symboli on Q ja sähkömäärän yksikkö on Coulombi ( 1 C = 1 As) - Kun sähkökemiallisessa kennossa/ elektrolyysikennossa tapahtuvien reaktioiden aiheuttavaa/aiheuttamaa virtaa mitataan, voidaan määrittää reaktioon liittyviä ainemääriä - Yhden elektronimoolin varaus on C (= Avogadron vakio x elektronin varaus = 6, mol -1. 1, As) - Täten reaktiossa (14-1) siirtyvä varaus ja syntyvä reaktion tuotteiden ainemäärä riippuvat toisistaan seuraavasti: Q = n F (14-2) n = ainemäärä ja F = Faradayn vakio C mol -1 - Tähän yhteyteen perustuvat sähkögravimetria ja coulometriset analyysit 106

107 - Tällaisia määrityksiä tehdään ns. elektrolyysikennossa, jossa ulkoisen jännitelähteen avulla pakotetaan sähkökemiallisia reaktioita tapahtumaan elektrodien pinnalla. - Galvaaniseksi kennoksi kutsutaan kennoa, jossa reaktiot etenevät spontaaniin suuntaan, ja joka voi tuottaa sähköenergiaa. Galvanic Cells Voltammetry 107

108 Elektroanalyyttisten menetelmien ryhmittely Eivät mahtuneet kurssiin 108

109 Huom. spontaani redox-reaktio tuottaa positiivisen kennopotentiaalin! Työ = - ΔG (systeemin tekee työtä ympäristölleen) ΔG = - q ( katodi - anodi ) (sähköinen työ) = -q E = -nfe Ts. negatiivinen ΔG tuottaa positiivisen kennojännitteen, eli galvaanisen kennon kennopotentiaali on aina positiivinen. 109

110 muutetaan tämän toimimattoman galvaanisen kennon rakennetta siten, että redox-puolireaktiot tapahtuvat erillisissä puolikennoissa, jotka on yhdistetty toisiinsa ns. suolasillan avulla ANODI HAPETUS 3 M KNO 3 KATODI PELKISTYS suolasilta: elektrolyyttiliuosta sisältävä lasiputki, jonka päissä on huokoinen lasisintteri lasilevy estää puolikennoissa olevien liuosten nopean sekoittumisen mutta mahdollistaa ionien siirtymisen niiden läpi edellä esitetyt redox-reaktiot tapahtuvat nyt anodilla ja katodilla kenno toimii ja pystyy antamaan virtaa ulkoiseen virtapiiriin 110

111 Sähkökemiallisen kennon yleisistä merkintätavoista: Edellä esitettyjen galvaanisten kennojen merkintä Cd(s) CdCl 2 (aq) AgCl(s) Ag(s) Cd(s) Cd(NO 3 ) 2 (aq) AgNO 3 (aq) Ag(s) jossa on faasiraja on suolasilta Konsentraatiot kirjoitetaan yleensä myös näkyviin IUPAC: ANODI VASEN, KATODI OIKEA PUOLI; JOS E < 0, KENNO ON PIIRRETTY VÄÄRIN PÄIN. 111

112 14.4 Standardipotentiaali Yleisen redox-puolireaktion Ox + ne - <-> Red E Ox/Red o standardipotentiaali E Ox/Redo määritetään käyttämällä kennoa a H 2 = 1 suolasilta huom. termi standardi ja standardiolosuhteet tarkoittaa, että kaikkien redox-reaktioon osallistuvien aineiden aktiivisuus a i = 1 a H + = 1 a Ag + = 1 Hienojakoisella Pt-mustalla päällystetty Pt-levy 112

113 HAPETUSKYKY KASVAA PELKISTYSKYKY KASVAA Eräiden redox-puolireaktioiden standardipotentiaaleja: HAPETIN PELKISTIN Mukaan otetuista redox-pareista - Fluori (F 2 (g)/2f - ) on voimakkain hapetin - Litium metalli (Li + /Li(s)) on voimakkain pelkistin - redox-puolireaktiot ovat tasapainoreaktioita ja voivat tapahtua molempiin suuntiin redox-reaktiossa hapettimena toimii se redox-pari, jonka standardipotentiaali on suurempi Pystyy hapettamaan Pystyy pelkistämään 113

114 Kennopotentiaali - muodostuu puolikennojen potentiaalierosta Pelkistyvä Lähtöaine Katodi x V Hapettuva Lähtöaine Anodi 114

115 Graafiset esitykset Myöskin redox-tasapainoissa graafiset esitykset ovat hyvin havainnollisia, mutta tämän kurssin puitteissa aika ei riitä näiden ns. Pourbaix-diagrammien käsittelyyn, mutta ohessa muutamia esimerkkejä niiden käytöstä: pe = E o /0.059 Happo-emästai liukoisuustasapainot Hapetus- Pelkistystasapainot 115

116 Katodisella suojauksella voidaan estää esim. raudan ja teräksen korroosiota, tällöin rautarakenteen potentiaali pidetään niin negatiivisenä, että rauta ei ko. olosuhteissa anodisesti liukene. Tämä voidaan tehdä joko ulkoisen jännitelähteen tai uhrautuvan anodin avulla. Kun rautakappale päällystetään ohuella kerroksella jotain muuta metallia, jolla on negatiivisempi ehtopotentiaali kuin raudalla, estetään raudan syöpyminen. Päällystys tehdään yleensä sinkkikerroksella, joka saadaan aikaan joko kastamalla esine sinkkisulatteeseen tai pinnoittamalla katodisesti elektrolyysillä. 116

117 Tavallisimmat elektrodimateriaalit (Pt, ja Au) sekä muita tärkeitä metalleja Suojaava alumiinioksidikerros liukenee sekä happamissa että emäksisissä olosuhteissa Kun rautaa tai terästä suojataan pinnoittamalla se rautaa jalommalla metallikerroksella korroosio estyy niin kauan kuin päällystys säilyy eheänä, mutta tämän jälkeen pinnoite jo kiihdyttääkin korroosiota rikkoutuneista kohdista. 117

118 14.7 Ehtopotentiaali Ehtopotentiaalin määritelmä: redox-parin Ox/Red olosuhderiippuvainen standardipotentiaali. Ts. jonkin muun muuttujan/muuttujien vaikutus on yhdistetty standardipotentiaaliin Ehtopotentiaali ja liuoksen ph Esimerkki: redox-puolireaktioon osallistuu usein H 3 O + - tai OH - -ioni, ts. tämän reaktion elektrodipotentiaali on ph-riippuvainen - Tarkastellaan redox-puolireaktiota arseenihappo arseenihapoke H 3 AsO H 3 O e - <-> H 3 AsO 3 + 3H 2 O E As 5+ /As 3+o jonka potentiaali saadaan Nernstin yhtälöstä 118

119 Hapen pelkistymistuotteet ja mm. paperin ja tukan E*/ V valkaisussa tärkeiden (vs. SHE) hapettimien ehtopotentiaaleja Hydroksyyliradikaali rajuin hapetin sekä happamissa että emäksisissä liuoksissa Veden käyttökelpoinen potentiaali-ikkuna, kun metallielektrodien ylipotentiaaleja ei ole huomioitu Hapen keh. Hapen 1-elektroninen pelk.: O 2 + e - O 2.- O H + + e - H 2 O 2 H 2 O 2 + e -. OH + OH - Vedyn keh

120 Raudan E* tai eri kompleksien E o (vs. SHE) 1,0 Rauta(II) stabiloituu 3 phen 3 phen = 3 fenantroliinia 0,8 E* vesikompleksi Lähes 1,2 V!! 0,4 6 CN - 0 EDTA ,4 Rauta(III) stabiloituu 120

121 Elektroanalyyttiset menetelmät Esimerkiksi differentiaalipulssipolarografiassa ja neliöaaltopolarografiassa metalli ionien pelkistymispotentiaalia voidaan siirtää kompleksoinilla, jotta saadaan kunkin metalli-ionin pelkistymispiikit erottumaan toisistaan: Nykymuotoisessa kurssissa ei ole aikaa käsitellä konduktometriaa, joka sopii erityisen hyvin eräisiin titrauksiin. ja jota käytetään myös nestekromatografiassa detektointiin 121

122 Potentiometria Potentiometria 122

123 15. POTENTIOMETRIA (AC 2.1: Johdanto Potentiometria: kemiallisen informaation saaminen potentiaaliero- eli jännitemittausten avulla Tarkastellaan oppikirjan kuvan galvaanista kennoa: 123

124 Potentiometriassa hyödynnetään Nernstin yhtälöä ja mitataan elektrodien välistä potentiaalieroa Potentiometriassa käytännössä käytettävä kenno: E ind - E ref Ioniselektiivinen indikaattorielektrodi Vertailuelektrodi Indikaattori elektrodi (työelektrodi) on yleensä joko Inertti elektrodi tai ioniselektiivinen elektrodi Inertti elektrodi - Pt - Au 124

125 Ag-lanka Tavallisin vertailuelektrodi nykyisin Cu-lanka (kontaktipotentiaali kumoutuu, kun Samaa elektrodia käytetään standardien ja Näytteiden mittauksessa) Ag(s) AgCl(s), KCl (x M) E = E AgCl /Ag o - 0,059 log [Cl - ] Kylläinen KCl ja AgCl liuos AgCl-pinnoite Vähän kiinteätä KCl:ää ja AgCl:ää Kun [Cl - ] on vakio, pot. on vakio Suolasillan sintteri, kapillaari tai ns. Vycor lasi 125

126 Kalomelielektrodi Kalomelielektrodin rakenne: Pt-lanka Hg(l) Hg 2 Cl 2 (s), KCl (x M) Sisäliuosta lis. tarvittaessa E = E Hg2Cl2/2Hg, 2Cl - o log [Cl - ] Tavallisin vertailuelektrodi aiemmin Nestemäistä Hg Hg, Hg 2 Cl 2 ja KCl seostahna Lasivillaa putken pään tukkeena Kyll. KCl- liuos Vähän kiinteätä KCl:ää Suolasillan sintteri tai kapillaari 126

127 Potentiaalimuunnokset Redox-reaktioiden potentiaaliarvot ilmoitetaan yl. vaihtoehtoisesti joko SHE-, Ag/AgCl- tai SCE-vertailuelektrodiin nähden - ilmoitettu potentiaali joudutaan usein muuttamaan toisen vertailuelektrodin suhteen, esim. E vs. SHE E vs. SCE Esim. potentiaali B kuvassa on Ag/AgCl = -0,011 V vs. SCE +0,230 V vs. SHE = +0,033 V vs. +0,197 V Ag/AgCl +0,241 V SCE 127

128 128

129 15.3 Työelektrodit eli indikaattorielektrodit Elektrodien luokittelu Inertti redox-elektrodi Tellaisia ovat reaktioon osallistumattomat elektrodit (esim. Pt, Au, lasimainen hiili), jotka on tasapainossa liuoksessa olevan redox-parin Ox- ja Red muotojen kanssa Huom. elektrodi ei ole osallisena kemiallisessa tasapainossa vaan sen tehtävänä on vain elektronien siirto joko elektrodilta liuoksessa olevalle Ox-muodolle tai liuoksessa olevalta Red-muodolta elektrodille 129

130 Esimerkki: johdanto-osassa esitetty Pt-elektrodi ja sen käyttö inerttinä redox-elektrodina redox-puolireaktion Fe 3+ + e - <-> Fe 2+ E Fe 3+ /Fe 2+o = 0,770 V vs. SHE tasapainotilanteen indikoimiseen alla olevan potentiaaliyhtälön perusteella: E(kenno) = vakio log ([Fe 2+ ]/[Fe 3+ ]) 130

131 o I-lajin elektrodin yleisen muodon kennomerkintä on seuraava M(s) M + (x mol/l) jossa M(s) on määritettävää ionia vastaava metallielektrodi M + on määritettävä ioni, jonka pitoisuus näyteliuoksessa on x mol/l o I-lajin elektrodi ei ole yleensä luotettava, sillä monet metallit ovat oksidipeitteisiä o Käytännössä hopeaelektrodin lisäksi yleinen luotettava I-lajin elektrodi on Hg 2+ -määritykseen soveltuva Hg-elektrodi Halidien potentiometrinen titraus: 131

132 - II-lajin elektrodin yleisen muodon kennomerkintä on seuraava M(s) MX(s) X - (x mol/l) jossa M(s) on metallielektrodi MX(s) on niukkaliukoinen suola X - pitoisuus näyteliuoksessa on x M on määritettävä anioni, jonka - II-lajin elektrodin soveltuvuus Ag/AgX(s)-elktrodia void. käyttää esim. määrityksiin X = Cl -, Br -,S 2- elektrodi on käyttökelpoisempi kuin I-lajin elektrodi 132

133 ERI TYYPPISIÄ METALLIELEKTRODEJA 133

134 Ioniselektiiviset elektrodit Ioniselektiivinen elektrodi: elektrodi, joka antaa potentiometrisen vasteen vain yhdelle liuoksessa olevalle ionilajille Elektrodien toimintaperiaate Tarkastellaan oppikirjan kuvassa (15-8) esitettyä membraania, joka erottaa kaksi CaCl 2 -liuosta toisistaan Ca 2+ laimeampi väkevämpi 134

135 Lasielektrodi Lasielektrodi: potentiometrisessä ph-mittauksessa käytettävä ioniselektiivinen elektrodi Kombinoidun lasielektrodin (ts. elektrodi, jossa lasi- ja vertailuelektrodit ovat samassa elektrodirungossa) rakenne on esitetty oppikirjan kuvassa (15-9). Kennomerkintä: lasimemb. Ag(s) AgCl(s) Cl - (aq) H 3 O + (aq) H 3 O + (aq,sisä),cl - (aq) AgCl(s) Ag(s) ulkovertailuelektrodi analyysiliuos sisäliuos sisävertailuelektrodi Mutkia oiottu hiukan liikaakin:

136 lasimemb. Ag(s) AgCl(s) Cl - (aq) H 3 O + (aq) H 3 O + (aq,sisä),cl - (aq) AgCl(s) Ag(s) ulkovertailuelektrodi analyysiliuos sisäliuos sisävertailuelektrodi KOMBINOITU ELEKTRODI Ilma- ja täyttöaukko Toisen vertailuelektrodin suolasillan aukko Lasimembraani Sisävertailuelektrodi 136

137 Lasimembraanin rakenne: R = 10 8 Ω a H + = 0,1 a H + = x Kuiva lasi 137

138 Mitä negatiivisempi pinta sitä enemmän natriumionia ulos päin ph:sta riippuva potentiaaliero muodostuu membraanin poikki Lasielektrodin ph-vaste noudattaa lähes täydellisesti Nernstin yhtälöä: E = vakio - (0,05916). log (a H3O + (sisä) / a H3O + (ulko) ) (25 C) jossa on ns. elektromotiivinen tehokkuus, jonka arvo on lähellä ykköstä, yleensä 0,98 vakio on asymmetriapotentiaali lasimembraanin poikki esiintyy kuitenkin käytännössä pieni asymmetriapotentiaali, joka korjataan säätämällä ph-mittari liuoksella, jonka H 3 O + -aktiivisuus tunnetaan tarkasti, ts. puskuriliuoksella (ks. oppikirjan taulukko 15-3) 138

139 Lasielektrodin ph-vaste on liian suuri vahvasti happamissa liuoksissa Vaste on liian pieni vahv. emäksissä liuoksissa (yleensä Na + tai K + kons. hyvin suuri) Ellektrodityypeillä (lasilaadulla) huomattavia eroja alkalisella alueella! 139

140 140

141 141

142 Ioniselektiiviset pintakanavatransitorit (ISMOSFET) tulevat aikanaan pitkälti korvaamaan lasielektrodeja ja muita ioniselektiivisiä elektrodeja 142

143 Kun sisäänmenoimpedanssi on hyvin suuri, kennosta ei oteta virtaa, ja Nernstin yhtälö pätee 143

144 pioni-mittarit Ioniselektiivinen elektrodi ph-mittari (tai pioni-mittari) Kun sisäänmenoimpedanssi on hyvin suuri, kennosta ei oteta virtaa, ja Nernstin yhtälö pätee 144

145 Kiinteäkalvoelektrodit (Solid-State Electrodes) Kiinteäkalvoelektrodi: Ag/AgCl- vertailuelektrodi sisäliuos: analysoitavaa ionia i sisältävä liuos, jonka [ i ] on vakio ioniselektiivinen elementti: (yleensä epäorgaaninen määritettävää ionia sisältävä kide) 145

146 Esimerkki: ioniselektiivinen fluoridielektrodi o elektrodin rakenne sisäliuos: 0,10 M NaF / 0,10 M NaCl-seos, jossa mukana AgCl ioniselektiivinen elementti: Eu 2+ -dopattu LaF 3 -kide 146

147 Elektrodin toimintaperiaate: Sisäliuos F - vakanssit Mitattava liuos LaF 3 -kiteessä on ns. anioninen tyhjä tila eli vakanssi jokaista Eu 2+ -ionia kohden (huom.eu 2+ -ionin varaus on pienempi kuin La 3+ -ionin) liuoksessa oleva F - -ioni adsorboituu kiteen pintaan, siirtyy anionivakanssiin ( anioniseen tyhjään tilaan, kidevirheeseen) ja kulkeutuu lopulta kiteen poikki. F - -selektiivinen potentiaaliero muodostuu kiteen sisä- ja ulkopintojen välille 147

148 F - -elektrodin vaste E on analoginen H + -elektrodin vasteen kanssa E = vakio - (0,05916). log a F-(ulko) (25 C) jossa on elektromotiivinen tehokkuus, yleensä 1 a F- (ulko) on näyteliuoksen F - -aktiivisuus huom. a F-(sisä) on vakio - F - -elektrodin ominaispiirteet ovat seuraavat o määritykseen soveltuva ph-alue? o elekrodi antaa vasteen vain F - -ionin suhteen HF + H 2 O <-> H 3 O + + F - pk HF = 3,17 o OH - -ioni häiritsee F - -määritystä F - -määritys suoritetaan (puskuroidussa) liuoksessa, jonka ph on

149 149

150 Order Number Electrode Concentration Range (Mol/L) Limits (ppm) ph Range Temperature Range ( C) Main Interferences ISAB Ammonium (NH 4+ ) 5 x x K +, Na + CH 3 COOH Bromide (Br - ) x , I -, CN -, S 2-5M KNO Cadmium (Cd 2+ ) x , Hg 2+, Ag +, Cu 2+ Pb 2+, Fe 3+ 5M KNO Calcium (Ca 2+ ) x , Ba 2+, Al 3+, Sr 2+ KCl Carbonate (CO 3 2- ) SCN -, I -, NO 3 - NO 2-, CH 3 COO - NaHCO Chloride (Cl - ) x , I -, Br -, CN -, S 2-5M KNO Cyanide (Cn - ) x I -, S 2-10M NaOH Fluoride (F-) x , OH - TISAB Iodide (I - ) x , CN -, S 2-5M KNO Lead (Pb 2+ ) x , S 2-, Hg 2+, Ag + Cu 2+, Fe 3+, Cd 2+ 5M NaCIO Nitrate (NO 3- ) x , CI -, NO 2-4M (NH 4 ) 2 SO Perchlorate (CIO 4- ) x , I -, SCN -, NO 3 - CH 3 COONa Potassium (K + ) , Cs +, NH 4 + 4M KCl 150

151 Potentiometria erittäin kilpailukykyinen miniatyrisoiduissa analyyttisissa systeemeissä! I mm 100 µm 10 µm 151

152 Nestemembraanielektrodit Elektrodin toimintaperiaate Orgaanista nestemäistä ioninvaihtajaa o Ca 2+ -ioni reagoi membraanissa olevan didekyylifosfaattianionin kanssa 2(RO) 2 PO Ca 2+ <-> [(RO) 2 PO 2- ] 2 Ca AgCl ja CaCl 2 - sisäliuos Ag/AgCl vert. Elektrodi nestemäisellä ioninvaihtajalla kyllästetty huokoinen membraani Calcium ion-selective electrodes are also available in makes in which the di-(n-decyl) phosphate is immobilized in a polyvinyl chloride (PVC) membrane, eliminating the need for the outer reservoir containing di-(n-decyl) phosphate! ja kulkeutuu membraanin poikki membraanin poikki muodostuu sisä- ja ulkoliuoksen Ca 2+ - aktiivisuuserosta riippuva potentiaali (vrt. edellä) E = vakio - (0,05916/2). log a Ca 2+ (ulko) jossa (25 C) on elektromotiivinen tehokkuus, yleensä 1 a 2+ Ca (ulko) on näyteliuoksen Ca Ioniaktiivisuus ja a Ca 2+ (sisä) on vakio

153 K + -ioniselektiivinen elektrodi K + N O O O N O O O N O O O N O O O N O O O N O O O H H H H H H Valinomysiini on antbiootti, jolla jäykkä 3-D rakenne, joka sopii tarkalleen kelatoimaan K +- ionin. Valinomysiini tomi neutraalina K +- ionin kantajana membraanin sisällä. 153 Reference electrode

154 Yhdiste-elektrodit (Compound Electrodes) Yhdiste-elektrodi: selektiivisellä kalvolla ympäröity koventionaalinen elektrodi, jossa membraanin tehtävänä on - erottaa elektrodilla mitattavissa oleva analyytti selektiivisesti näyteliuoksesta - päästää varsinainen analyytti vuorovaikutukseen mitattavissa olevan ionin mebraanin sisäpussissa olevaan tasapainoliuokseen. 154

155 CO 2 -elektrodi: HCO 3- puskuri Hiilidioksidia läpäisevä membraani (teflon, polyeteeni) 155

156 Ominaispiirteet: - mittaava elektrodi: lasielektrodi - CO 2 :ta läpäisevä membraani: Teflon- tai polyeteenikalvo; - lasielektrodin ja membraanin välissä oleva liuos: 0,10 M KClelektrolyytti, mikä on heikosti HCO 3 puskuroitu Elektrodin toimintaperiaate - CO 2 diffundoituu näyteliuoksesta membraanin läpi elektrolyyttiliuokseen ja liukenee hiilihapoksi elektrolyyttiliuoksen ph alenee lasielektrodi antaa vasteen ph-muutokseen ph-muutos on verrannollinen näyteliuoksen [CO 2 ] 156

157 Muita käytössä olevia analogisella periaatteella toimivat yhdisteelektrodit - NH 3, SO 2, H 2 S ja NO x -elektrodit ELECTRODER - ABS body Gas Sensing ISE Electrode (AGI) ISE, NH 3 Gas sensing combination electrode, ABS body, 12mm * 120mm, replaceable membrane body ELECTRODER - Epoxy body Gas Sensing ISE Electrode (EGI) Carbon Dioxide CO 2 Gas sensing electrode, epoxy body, 12mm * 120mm, replaceable membrane body NEW ELECTRODER - Epoxy body Gas Sensing ISE Electrode (EGI) Nitrogen Oxide NO x Gas sensing electrode, epoxy body, 12mm * 120mm, replaceable membrane body 157

158 Kemialliset ja biokemialliset sensorit laajasti käsitettynä: Yleensä: SENSORI (sensor) = ANTURI (transducer), joka kykenee tunnistamaan analyytin ja kvantitoimaan sen määrän mittalaitteen avulla 158

159 Potentiometriset titraukset - Potentiometria soveltuu myös hyvin titrausten ekvivalenttipisteen määrittämiseen, joko manuaalisesti titraten tai automaattisella titraattorilla titraten. - Potentiometria soveltuu mm. happo-emästitrauksiin, saostusja kompleksometrisiin titrauksiin. - Automaattisilla titraattoreilla ekvivalenttipiste saadaan kätevästi määritettyä 1. tai 2. derivaatan menetelmällä. Hapettimia: Ce 4+, Br 2, Cl 2, I 2, IO 3 (jod), IO 4 (perjod), MnO 4-, S 2 O 8 2-, H 2 O 2, Pelkistimiä: AsO 3-3, BH 4-, Fe 2+, Cr 2+, Sn 2+, S 2 O , SO 2-3, S 2 O 2-3 jne.

160 Rajapintamenetelmät, joissa kennossa kulkee virtaa (elektrolyysikennojen sovellukset) Elektrolyysikennojen sovel. 160

161 17. Elektrolyysi Galvaanisessa kennossa spontaanisti tapahtuvat elektrodireaktiot tuottavat sähköistä energiaa, joka voidaan mitata sähkövirtana. Kun kennoon johdetaan sähkövirtaa ulkoisen jännitelähteen avulla, saadaan elektrodireaktiot pakotettua tapahtumaan käänteiseen suuntaan. Tällöin ilmiötä kutsutaan elektrolyysiksi. Tyypillinen elektrolyysikenno: Elektrodit ovat inerttiä materiaalia (esim. platinaa) Mites hyvin vesi johtaa sähköä??: 161

162 Kun elektrodien välille kytketään, jännite, positiivisesti varatut metalliionit siirtyvät kohti negatiivisesti varattua elektrodia, jossa ne saavat elektronin ja pelkistyvät vapaaksi alkuaineeksi (edellyttäen, että elektrodien välinen potentiaaliero on riittävä; ei aina onnistu vesiliuoksissa!!). Anionit Kationit Hapetus Pelkistys Vastaavasti negatiivisesti varatut ionit siirtyvät sähkökentässä kohti positiivista elektrodia, jossa ne menettävät elektronin/elektroneja eli hapettuvat (edellyttäen, että elektrodien välinen potentiaaliero on riittävä; ei aina onnistu vesiliuoksissa!! ). 162

163 Käytännössä on ratkaisevaa voidaanko elektrodilla saavuttaa kyseisissä liuosolosuhteissa riittävän katodinen/anodinen potentiaali ennen liuottimen pelkistymistä/hapettumista, jotta elektronin siirto voi tapahtua: - E/V vs. SHE Katodilla pelkistys - E/V vs. SHE Anodilla hapetus 163

164 + 3V Vesiliuokset - 3V Orgaaniset liuottimet, Pt-elektrodi varsinaisille sähkökemisteille 0 + 3V E/V vs. SCE - 3V 164

165 Metallielektrodeista lähinnä vain Pt- ja Auelektrodit sopivat hapetusreaktioille Koska vedyn kehityksen ylipotentiaali on hyvin suuri elohopealla Hg-elektrodi sopii pelkistyksiin Ylipotentiaalista johtuen protonit pelkistyvät vasta tällä alueella ph:sta riippuen 165

166 17.2 Sähkögravimetria ja coulometria - Michael Faraday osoitti ensimmäisenä 1800-luvun alussa, että elektrolyysissä käytetyn sähkömäärän ja elektrodireaktioissa reagoineiden ainemäärien välillä vallitsee kvantitatiivinen riippuvuussuhde. - Hänen johtopäätöksensä tunnetaan Faradayn lakien nimellä. Faradayn I laki: Elektrodilla saostuneen tai vapautuneen aineen ainemäärä on suoraan verrannollinen kennon läpi kulkeneeseen sähkömaarään. Faradayn II laki: Kun useita eri aineita saostuu tai vapautuu elektrodilla saman sähkömäärän kulkiessa kennon läpi, saostuneiden tai vapautuneiden aineiden määrät ovat suoraan verrannollisia niiden ekvivalenttimasaan (molekyylimassa jaettuna reaktiossa siirtyneiden elektronien stoikiometrisellä lukumäärällä). 166

167 - Faradayn lakien perusteella voidaan laskea, että kun yksi mooli elektroneja reagoi elektrodilla, tarvittava sähkömäärä on C ( Faradayn vakio) - Muiden reagoivien aineiden ainemäärät voidaan päätellä eletkrodireaktioyhtälön perusteella (eli käsitettä ekvivalentti ei välttämättä tarvita). - Kun tunnetaan elektrolyysikennon läpi virranneen sähkövirran suuruus ja elektrolyysiin kulunut aika, voidaan reagoineet ainemäärät laskea Elektroanalytiikassa kolme menetelmäryhmäryhmää perustuu analyytin hapettamiseen tai pelkistämiseen otetun näytteen koko ainemäärältään uuteen hapetustilaan: (1) Vakiopotentiaalicoulometria (2) vakiovirtacoulometria ja (3) sähkögravimetria. 167

168 Laskuesimerkki elektrolyysistä. Kuinka paljon (g) kuparia voidaan pelkistää kupari(ii)- sulfaattiliuoksesta elektrolyyttisesti työelektrodin pinnalle, kun liuoksen läpi johdetaan 150 ma:n vakiovirta tunnin ajan (virtahyötysuhteen oletetaan olevan 100 %)? - Kuparin pelkistymisreaktio: Cu 2+ (aq) + 2 e - Cu(s) Kennon läpi kulkenut sähkömäärä: Q = I t = n e F missä I = sähkövirta, t = elektrolyysin kesto, n e = siirtyneiden elektronien ainemäärä F = Faradayn vakio = As mol -1 n e = It/F = (0,15 A s)/96500 As mol -1 = 5,60 mmol Reaktioyhtälöstä nähdään: n Cu = ½ n e = 2,80 mmol Elektrodilla saostuvan kuparin massa: m Cu = n Cu M Cu = 2,80 mmol. 63,5 g mol -1 = 178 mg ===== 168

169 Sähkögravimetriassa analyytin ainemäärä saadaan selville laskemalla punnitustuloksen perusteella ja muissa näissä menetelmistä sähkömäärä, joka tarvitaan analyytin elektrolyysin loppuun suorittamiseen toimii analyytin ainemäärän mittana. Näillä menetelmillä on yleensä vain keskinkertainen selektiivisyys ja herkkyys, mutta useassa tapauksessa ne ovat kaikkein tarkimpia ja toistettavimpia menetelmiä, mitä on tarjolla. Näiden menetelmien poikkeuksellisena etuna on, ettei kalibrointistandardeja tarvita, koska analyytin ainemäärä saadaan laskettua suoraan mittaustuloksista teorian perusteella. Pt-verkko työelektrodina Hg-lammikko työelektrodina 169

170 Vakiopotentiaalicoulometriassa tarvitaan kolmielektrodikennoa ja potentiostaattia, jotka ovat keskeisessä asemassa myös voltammetrisissa menetelmissä Lohkokaaviona potentiostaattinen elektrolyysilaite pelkistystarkoituksiin voidaan kuvata seuraavasti: Työelektrodi Apuelektrodi Potentiostaatti on instrumentti, joka muuttamalla työelektrodin ja apuelektrodin välistä jännitettä pitää huolen, että työelektrodin potentiaali referenssielektrodiin nähden on aina halutussa arvossaan. Vakiopotentiaali Vakiovirta- Colometria: Ref. elektrodi vakiovirta 170

171 Voltammetria - Voltammetrian muodostavat elektroanalyyttiset menetelmät, joissa analyytistä saadaan informaatiota mittaamalla virtaa työelektrodin potentiaalin funktiona. - Jos työelektrodin potentiaalia pidetään vakioisena kutsutaan menetelmää amperometriaksi - Yleensä työelektrodit voltammetriassa ovat mikroelektrodeja, joiden pinta-ala on vain muutama neliömillimetri tai sitä vielä huomattavasti pienempi, esim. muutama neliömikrometri. - Voltammetriassa analyyttiä kuluu mittauksissa minimaalisen vähän, kun taas coulometriassa koko analyytin ainemäärä reagoi. - Voltammetriaa käytetään epäorgaanisessa, orgaanisessa ja fysikaalisessa ja biokemiassa myös muihin kuin analyyttisiin tarkoituksiin, mm. adsorptio- ja elektroninsiirtomekanismeihin aineiden ominaisuuksiin liittyvissä tutkimuksissa. 171

172 Voltammetriassa (käsitellään myöhemmissä kursseissa tarkemmin) sähkökemialliseen kennoon johdetaan herätejännitesignaali (stimulating signal, excitation voltage signal) ja mitataan sen aiheuttama virtavaste

173 Nykyään on saatavilla glukoosin ja kolesterolin kotona tapahtuviin mittauksiin halpoja amperometrisia paristokäyttöisiä pikkulaitteita Low-cost glucose and cholesterol meters: - Business is based on the strips 173

174 Amperometric sensors based on oxidases: E.g. glucose or cholesterol sensors To working electrode Cellulose acetate Polycarbonate Glucose 174

175 Esimerkkinä lyijyn (Pb 2+ ) toteamisraja erilaisilla elektroanalyyttisillä menetelmillä Menetelmä Ioniselektiivinen elektrodi (POT) Toteamisraja 10-5 M Tasavirtapolarografia (VA) 10-5 M Diffrentiaalipulssipolarografia (tippuvalla elohopeaelektrodilla) (VA) Anodinen liuotusanalyysi (riippuvalla Elohopeatippaelektrodilla, ASV) (VA) 10-7 M M ASV: 175

176 Mitä on kromatografia? (AC 2.1: Kromatografiassa operoidaan osittain samojen periaatteiden varassa kuin uutoksissa. Kromatografiassa toinen jakaantumistasapainossa mukana oleva faasi pysyy paikallaan ja toinen liikkuu. Kromatografia on siis erotusmenetelmäryhmän nimitys menetelmille, jotka perustuvat tutkittavan seoksen komponenttien erilaiseen jakautumiseen stationäärifaasin (paikallaan pysyvän faasin) ja liikkuvan faasin kesken. 176

177 Liikkuva faasi (eli eluentti) voi olla neste tai kaasu (tai muu fluidi). Stationäärifaasi on eluenttiin liukenematon kiinteä aine tai neste. Eluenttia lisätään Kolonni on täytetty hienojakoisella täyteaineella. Eluentti kulkee kolonnin läpi. Vaikuttavat ilmiöt ovat esim. adsorptio ja partitio Eluaattia ulos kolonnista (aluksi pelkkää eluenttia) B A 177

178 Kromatografiset menetelmäperiaatteet Adsorptio Ioninvaihto Partikkelien pinnalla anionisia tai kationisia ryhmiä Affiniteetti Partitio Partikkelit pinnoitettu nestekerroksella Ekskluusio Aineet pyrkivät kiinnittymään eli adsorpoitumaan kiinteän aineen pintaan. Partitiossa tapahtuu aineen liukenemista stationäärifaasin ja liikkuvan faasin välillä jakautumislain mukaan. Ioninvaihtokromatografia perustuu Sähköstaattisiin vetovoimiin. Ekskluusiokromatografiassa pienikokoiset yhdisteet tai ionit mahtuvat Kulkemaan huokoisen täyteaineen partikkelien läpi. Partikkelit pinnoitettu biomolekyyleillä Affiniteettikromatografia perustuu Bioaffiniteettireaktioihin. 178

179 (i) Adsorptiokromatografia (a) Pylväskromatografiassa adsorbenttina on hienojakoinen alumiinioksidi (Al 2 O 3 ) tai silikageeli (SiO 2 ). o o Liuotin eli eluentti kulkee omalla painollaan tai letkupumpun avustamana pylvään läpi. Näytteen komponentit kerätään eri fraktioina fraktionkerääjällä. 179

180 (i) Adsorptiokromatografia (b) o o o o Ohutkerroskromatografiassa (engl. Thin Layer Chromatography TLC) ohuen alumiini tai lasilevyn päällä on kerros adsorbenttiä. Levylle pipetoidaan näyteliuosta pieni pisara. Levy pannaan lasiseen kammioon, jonka pohjalla on ohut kerros liuotinta. Liuotin nousee kapillaarivoimien vaikutuksesta levyä pitkin ylöspäin ja aineen komponentit kulkevat liuotinrintaman mukana nopeammin tai hitaammin. TLC:tä käytetään lähinnä aineen puhtauden nopeaan toteamiseen. 180

181 (ii) (a) Partitiokromatografia Kaasukromatografiassa (Gas Chromatography GC) liikkuva faasi on kaasu ja stationäärifaasina on yleensä kantaja-aineeseen tai kvartsipintaan sidottu nestefaasi. - Kaasukromatografiaa käytetään helposti höyrystyvien aineiden kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen analyysiin. 181

182 (ii) (b) Partitiokromatografia Nestekromatografia (Liquid Chromatography, High Performance Liquid Chromatography HPLC) on menetelmä, jossa pakatun kolonnin läpi ajetaan liuotinta pumpun avulla korkealla paineella. Kolonnin jälkeen on detektori (esim. UV/VIS spektrofotometri), joka havaitsee kolonnista tulevat komponentit. Menetelmää käytetään yhä enenevässä määrin orgaanisille huonosti höyrystyville yhdisteille. 182

183 (iii) (a) (b) Ioninvaihtokromatografia Ionikromatografiassa (IC) käytetään saman tyyppistä laitteistoja kuin nestekromatografiassa, mutta adsorbenttina on ioninvaihtohartsi, jonka läpi ionit kulkevat erilaisella nopeudella. Detektorina on johtokykyilmaisin. Ionikromatografiaa käytetään lähinnä epäorg. ionien analysoimiseen liuoksista. Kationien erottaminen 183 Anionien erottaminen

184 (iv) Ekskluusiokromatografia (Molecular Exclusion Chromatography) eli geelisuodatuskromatografia (Gel Filtration, Gel Permeation Chromatography) perustuu molekyylien kokoon. Adsorbentti on huokoista ainetta ja pienet molekyylit, jotka mahtuvat huokosiin, kulkevat kolonnin läpi hitaammin kuin suuret molekyylit. 184

185 (v) Affiniteettikromatografia (Affinity Chromatography) on kaikkein selektiivisin kromatografialaji, joka perustuu spesifisiin toisensa tunnistavien molekyylien käyttöön. Esimerkiksi kolonnimateriaaliin voidaan kovalenttisesti kytkeä antibodeja, jotka pyydystävät eluentista antigeeneja kiinteän faasin pinnalle. Lopuksi muutetaan liuotinolosuhteita niin, että antigeenit irtoavat antibodeista ja antigeenit saadaan kerättyä puhdistettuna talteen sopivasta fraktiosta. 185

186 Kromatogrammit ja kromatografian peruskäsitteet - Kromatogrammi on kuvaaja, joka näyttää graafisesti detektorin vasteen eluutioajan tai tilavuuden funktiona. - Kromatografiassa pyritään yleensä määritettävien komponenttien täydelliseen erottamiseen mahdollisimman lyhyessä ajassa. - Kromatografiseen erottumiseen vaikuttavat monet kemialliset ja fysikaaliset tekijät. 186

187 Täydellinen erottuminen tarkoittaa sitä, että edellinen piikki palaa pohjaviivaan, ennen kuin toinen piikki lähtee kasvamaan. Jotta erottuminen olisi täydellinen, pitää resoluution olla > 1,5 (piikissä 99,7 % näytevyhykkeestä) 2 3 R = 0,50 R = 0,75 4 R = 1,00 6 R = 1, % 187

188 Van Deemterin yhtälö kertoo, millä tavoin kolonni ja virtausnopeus vaikuttavat pohjan korkeuteen: H A + B/u x + Cu x, jossa u x on lineaarinen virtausnopeus A, B ja C kyseiselle kolonnille ominaisia vakioita Vyöhykelevenemistä tapahtuu kolmella mekanismilla, joista yksi on suoraan verrannollinen virtausnopeuteen, toinen kääntäen verrannollinen virtausnopeuteen ja kolmas on virtausnopeudesta riippumaton. Pakatuilla kolonneilla kaikki kolme mekanismia levittävät vyöhykkeitä

189 H PAKATTU KOLONNI Monta kulkutietä Optimi virtausnopeus A + B/u x + Cu x Pitkittäinen diffuusio Tasapainottumisaika Virtausnopeus (ml/min)

190 24. KAASUKROMATOGRAFIA (AC 2.1: Erotusprosessit kaasukromatografiassa Kaasukromatografia perustuu yleensä näytteen komponenttien jakautumiseen liikkuvan kaasufaasin ja kiinteään kantajaan sidotun paikallaan pysyvän nestefaasin välillä. Kantajakaasu virtaa (kaasupullosta) injektorin kautta kolonniin. Näyte syötetään ruiskulla ohuen septumin (kuminen kiekko) läpi injektoriin, jonka lämpötila on säädettävissä (usein noin 200 C). Detektori Näyte höyrystyy ja alkaa kulkea kaasuvirran mukana kolonnissa. Kolonniuuni 190

191 191

192 Kaasukromatografin toiminnalliset osat: (i) Injektori - Nestemäinen näyte injektoidaan septumin läpi lämmitettyyn injektoriin, jonka lämpötila tulee yleensä olla säädetty reilusti analyytin kiehumispisteen yläpuolelle. - Täällä näyte höyrystyy ja siirtyy kolonniin. Septumi Näyte tulisi saada saadaan kolonniin mahdollisimman kapeana rintamana. Näyte ruiskutetaan ns. mikrolitraruiskulla (esim. Hamilton jne). Näytteen höyrystysalue Vaihdettava lasiputki Kolonni Kantajakaasu 192

193 Kapillaarikolonniin ei voi syöttää suuria näytemääriä. Ns. jako- eli split-injektiossa suuri osa kaasusta ja samalla näytteestä puhalletaan ulos injektorista ja vain murto-osa kaasusta päätyy kolonniin. Jako- eli split-suhde on tyypillisesti 1/25-1/ < 2 % kolonniin 193

194 Näytteensyöttölaite 194

195 (ii) Kolonnit - Kolonni on kaasukromatografin keskeisin osa. - Kolonni on lämmitettävässä kolonniuunissa, jonka lämpötilaa voidaan säätää lämpötilaohjelman mukaan. - Kromatografointi voidaan esim. aloittaa vakiolämpötilassa. - Kun liuotin on tullut kolonnista, nostetaan kolonnin lämpötilaa vakionopeudella esim. 20 o C/min kunnes kaikki komponentit ovat tulleet kolonnista. - Lopuksi ohjelmassa voi olla vielä isoterminen osa, jolloin viimeisetkin epäpuhtaudet poistuvat kolonnista ennen seuraavaa injektointia. (ei saa nostaa kuitenkaan lämpötilaa niin korkealle, että stationäärifaasi vaurioituu ) 195

196 Isoterminen 150 o C C min C min Lämpötilaohjelma 50 o 250 o ; 8 o /min C min 196

197 Nykyaikaiset kromatografit pystyvät muuttamaan halutun paineohjelman mukaan kantajakaasun painetta, jota voidaan usein hyödyntää lämpötilaohjelmoinnin lisäksi T p 5 Vakiopaine Paineohjelma alkaa Paineohjelma 197

198 (a) Kapillaarikolonnit. - Kolonnit ovat nykyisin etupäässä kvartsikapillaarikolonneja (Open Tubular Columns). - Kolonni valmistetaan vetämällä sulatetusta kvartsiputkesta (fused silica) yhtäjaksoisesti ja pinnoittamalla se ulkopuolelta polyimidikerroksella (polyimidi kestää 350 o C lämpötilan). - Tällainen kapillaarikolonni on varsin taipuisa ja kestävä. Halkaisija μm Stationäärifaasin paksuus 0,1 5 μm 198

199 (b) Pakattu kolonni (Packed column) on 1-6 m pitkä teräs- tai lasiputki, jonka sisäläpimitta on 2-4 mm. - Kolonni on täytetty hienojakoisella kantaja-aineella, esimerkiksi huokoisella polymeerillä tai molekyyliseulalla. - Pakatulla kolonnilla näytemäärä on suuri, mutta erotuskyky on huono. - Pakattuja kolonneja käytetään etenkin kaasuanalyyseissä. Pakattu kolonni Sama komponentti Kapillaarikolonni 199

200 Kolonniuuni avattuna GC-mikrosysteemejä: Piikiekoille valm. kolonneja. Koko GC 200

201 - Lisäämällä ketjuun poolisia substituentteja, saadaan polaarisempia kolonneja. - Kaikkein polaarisimmat kolonnit ovat polyetyleeniglykolikolonneja. - Ne soveltuvat alkoholeille ja muille polaarisille yhdisteille. Pooliton kolonni Polaarinen kolonni 201

202 202

203 (iii) Detektorit - Detektori eli ilmaisin (detector) antaa jonkin vasteen kantajakaasun mukana tuleville aineille. - Detektorin antama signaali on verrannollinen aineen konsentraatioon tai massavirtaan. - Detektoreja on monen tyyppisiä. - Tavallisimmat yleisdetektorit ovat liekki-ionisaatioilmaisin (Flame Ionization Detector, FID) ja lämmönjohtokykyilmaisin. - On myös detektoreja, jotka ovat herkkiä tiettyjä alkuaineita sisältäville yhdisteille (fosfori-, typpi- tai halogeeniyhdisteet). - Useissa laitteissa käytetään nykyään detektorina pienikokoista ns. kvadrupolimassaspektrometriä. 203

204 Liekki-ionisaatiodetektori Eniten käytetty yleisdetektori ja perustuu vety-ilma-liekkiin (toimii parhaiten, kun kantajakaasu on N 2 ). Orgaaniset yhdisteet hajoavat ja palavat liekissä, jolloin syntyy CH radikaaleja ja edelleen CHO + ioneja, jotka kerätään katodille ja syntyvä sähkövirta mitataan FID on herkkä lähes kaikille orgaanisille yhdisteille, mutta FID:iä ei voi käyttää epäorgaanisille kaasuille. _ + Katodi kerää CHO + -ionit Polttimon runko anodina FID:ille on ominaista hyvin laaja lineaarisuusalue, 7 kertalukua). Ilma Virtaus kolonnista H 2 204

205 Lämmönjohtokykydetektori TCD (Thermal Conductivity Detector) On tavallinen ilmaisin paitsi kaasukromatografiassa, myös monissa muissa kaasuanalysaattoreissa. Siitä käytetään myös nimeä kuumalankadetektori (Hot Wire Detector HWD). Ilmaisimessa on kuuma hehkulanka (W-Re), jonka lämpötila ja resistanssi riippuu ympärillä virtaavan kaasun koostumuksesta (lämmönjohtokyvystä). kolonnista kuumalanka 205

206 24.2 Analyysit perinteisillä detektoreilla varustetuilla laitteilla Kvalitatiivinen analyysi - Kvalitatiivinen analyysi kromatografiassa perustui pitkään vain aineiden retentioaikoihin. - Jos määritettävän aineen ja vertailuaineen retentioajat ovat samoissa olosuhteissa yhtä suuret on mahdollista, joskus varsin todennäköistä, että kysymyksessä on sama aine. - Tunnistusta voidaan varmistaa kromatografoimalla näitä yhdisteitä eri tyyppisellä kolonnilla, jolloin retentioaikojen tulee edelleen säilyä yhtä suurina standardille ja tuntemattomalle aineelle. - Kapillaarikolonnien erotuskyvyt ovat niin hyviä, että virhemahdollisuus jää suhteellisen pieneksi, etenkin jos näytteen koostumuksesta on jotakin ennakkotietoa. 206

207 - Täysin tuntemattoman näytteen analysointi vaatii yleensä muita analyysejä ja runsaasti kokeilutyötä. - Täysin varmaan tunnistukseen ei pystytä ilman kromatografiin kytkettyä massapektrometridetektoria. - Kvalitatiivistä analyysiä helpottamaan on kehitetty joitakin laskentamenetelmiä. Eräs tällainen on ns. Kovatsin retentioindeksi. - Tämän mukaan n-paraffiineilla retentioajan logaritmi on suoraan verrannollinen yhdisteen hiilien lukumäärään. Tämän asteikon mukaisesti määritetään muille aineille retentioindeksit. 207

208 Kvantitatiivinen analyysi - Kvantitatiivinen analyysi perustuu kromatogrammin piikkien pintaaloihin (Mitä enemmän ainetta tulee ilmaisimeen, sitä suurempi on vastaavan piikin pinta-ala kromatogrammissa). - Jos piikit ovat samanmuotoisia, voidaan pinta-alan asemasta käyttää laskuissa piikin korkeutta. - Pinta-alan määritys suoritetaan kaasukromatografiin liitetyllä PC:llä tai integraattorilla. - Pinta-ala voidaan määrittää myös manuaalisesti olettamalla piikki Gaussin käyrän muotoiseksi. - Pinta-alan likiarvo saadaan kertomalla piikin korkeuden ja piikin puolikorkeuden leveyden tulo arvolla 1,

209 24.3 Massaspektrometri a ja massaspektrometri detektorina DEMO: Massaspektrometri (MS) on kallis mutta hyvä detektori kaasu- ja nestekromatografiassa. Massaspektrometridetektorissa kunkin eluoituvan piikin yhdiste ionisoidaan, kiihdytetään sähkökentässä ja määritetään ko. ionin (ionien) massan (massojen) suhde sen varaukseen. Ionisointiprosessi yleensä johtaa siihen, että yhdisteestä ei vain muodostu positiivinen ioni, jolla olisi sama molekyylimassa kuin alkuperäisellä yhdisteellä, vaan sarja pilkkoutumistuotteita. Massaspektristä nähdään ko. pilkkoutumistuoteioninen suhteellinen määrä. 209

210 GC-MS Molek. ioni 210

211 Kromatografeihin yhdistetty massaspektrometri on miltei aina ns. kvadrupolianalysaattoriin perustuva massaspektrometri Elektronimonistinputki Hehkulanka _ Kolonnista + Resonoiva Ioni pääse läpi GC-MS < kvadrup. GC-MS < magn. sektorilaite. Anodi DC+AC Tässä systeemissä eluaatti kulkee kuumennetun liitäntäyksikön läpi elektronipommitusionisaatio-kammioon, jossa syntyviä ioneja kiihdytetään sopivalla jännitteellä ennen niiden joutumista vadrupoli(massa)analysaattoriin. Kvardupolianalysaattori muodostuu neljästä yhdensuuntaisesta metallitangosta joihin on kytketty vakioiset potentiaalierot ja oskilloiva radiotaajuinen muuttuva jännite 211

212 Sähkökenttä muuttaa ionien kulkurataa niiden kulkiessa kuvan oikeassa laidassa olevaa ionidetektoria kohti (yleensä ns. elektronimonistinputki) siten, että tietyillä jännitearvoilla vain yhden massa/varaussuhteen omaavat ionit voivat päästä detektorille. Muut ionit törmäävät metalliputkiin ennen detektoria eikä niitä havaita. Potentiaalipyyhkäisyillä voidaan varsin nopeasti (8 spektriä sekunnissa 800 atomimassayksikköön asti) päästää eri massaiset ionit hallitusti detektorille. Massaspektrometri voidaan asettaa detektoimaan tiettyjä valittuja ioneja tai myös vaihtoehtoisesti kaikkien ionien aiheuttamaa totaalivirtaa detektorilla. Epäorgaanisessa analytiikassa ICP-MS (jossa alunperin liuosmuotoinen näyte syötetään massaspektrometriin plasmasta) on kallis ja tehokas instrumentti yhdistettyyn kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen analyysiin, 212

213 Magneettisektorilaitteitteet 213

214 Epäorgaanisessa analytiikassa ionisointimenetelmänä on nykyään melkein yksinomaan käytössä ICP: DEMO: Ensimmäiset kaupalliset ICP-MS -laitteistot esiteltiin vuonna Suomessa laitteistoja on nykyään ehkä noin 20 kappaletta. Useimmilla alkuaineilla toteamisrajat ovat luokkaa µg/l. 214

215 ICP-OES DEMOJA: ICP-MS DEMOJA: PLASMA??: 215

216 25. HPLC (KORKEAN SUORITUSKYVYN NESTE- KROMATOGRAFIA) - Nestekromatografia on tärkeä menetelmäryhmä, koska useimmat yhdisteet eivät ole riittävän haihtuvia kaasukromatografiaa varten. - Nestekromatografiassa liikkuvana faasina on neste ja stationäärifaasina yleensä kiinteä faasi tai siihen sidottu neste. - Nestekromatografiassa ainoa näytteeltä vaadittava ominaisuus on, että näyte voidaan liuottaa johonkin sopivaan liuottimeen/liuotinseokseen. - Nestekromatografisessa erotuksessa näytekomponenteilla on vuorovaikutuksia sekä liikkuvan että stationäärifaasin kanssa, toisin kuin kaasukromatografiassa, jossa näytekomponenttien vuorovaikutukset kantajakaasun kanssa ovat vähäisempiä. 216

217 217

218 DEMO: Ohjelmoitavia HPLC-pumppuja Injektori Kolonni Detektori 218

219 Yksipumppuinen isokraattisiin erotuksiin soveltuva HPLC-laitteisto 219

220 Detektorit - Nestekromatografiassa käytetään useita erilaisia detektoreita - Detektointi perustuu joko yhdisteiden spektrometrisiin, sähkökemiallisiin tai muihin fysikaalisiin ominaisuuksiin.. UV Taitekerr. Sironta Sähkökem. Fluoresenssi Johtokyky MS FTIR 220

221 - Ideaalinen detektori on herkkä kaikille analyyteille ja antaa lineaarisen vasteen laajalla konsentraatioalueella. - Kaasukromatografian lämmönjohtokyky- tai liekki-ionisaatiodetektoriin verrattavaa hyvää yleisdetektoria ei nestekromatografiassa varsinaisesti ole, tosin taitekerroindetektori ja diodirividetektori ovat varsin lähellä tätä - Mikäli näytekomponentit ovat hyvin erilaisia voidaan kaikkien kiinnostavien komponenttien toteaminen varmistaa kytkemällä peräkkäin kaksi tai useampia detektoreja. Esim. UV tai Taitekerr. Fluoresenssi Sähkökem. tai AES 221

222 UV-detektoria käytettäessä on syytä pitää mielessä mihin aallonpituuksiin asti UV-alueella kukin liuotin on käyttökelpoinen Esim. asetonitriili on käyttökelpoinen alle 200 nm:n, mutta metanoli alkaa absorboida liikaa jo 205 nm:n paikkeilla, tolueeni 284 nm:n ja asetoni jo 330 nm:n paikkeilla. 222

223 Diodirividetektori - on erilaisista spektrofotometrisista detektoreista monipuolisin. Sitä voidaan käyttää kuten tavanomaista UV -detektoria, eli mitataan eluaatin absorbanssia vain yhdellä aallonpituudella. Enemmän informaatiota saadaan, kun mittaus suoritetaan samanaikaisesti kahdella tai useammalla eri aallonpituudella samanaikaisesti, jolloin saadaan tarvittaessa useita kromatogrammeja. 223

224 - Detektori voidaan ohjelmoida myös mittaamaan tiettyä aallonpituusväliä, jolloin saadaan piikeille niille ominaiset spektrit. - Tällöin on mahdollista saada summa-absorbanssi kaikista absorbanssiarvoista tai yhdisteiden tunnistamisen kannalta tärkeä spektri tietystä kromatogrammissa esiintyvästä piikistä. - Myös absorbanssisuhde, eli ennalta valittujen aallonpituuksien absorbanssien suhde, on tärkeä yhdisteiden tunnistamisessa. - Diodirividetektori antaa informaatiota absorbanssisuhteen muodossa yhdisteiden puhtaudesta ja mahdollistaa usean näytekomponentin samanaikaisen analysoinnin. λ t Jos piikin kaikki spektrit samanmuotoisia, piikki joko koostuu puhtaasta aineesta (tai retentioajat ja konsentraatiot ovat täsm. samat) 224

225 Taitekerroindetektorit - Taitekerroindetektoria (Refractive Index, RI-detektori) voidaan pitää tietynlaisena yleisdetektorina, koska se antaa vasteen kaikille yhdisteille, jotka muuttavat eluentin taitekerrointa. - Kolme yleisintä taitekerroindetektorityyppiä ovat Fresnelin taitekerroindetektori, heijastustaitekerroindetektori sekä interferometri. - Periaatteessa miltei kaikki yhdisteet aiheuttavat jossakin konsentraatiossa havaittavan muutoksen, mutta niiden vasteet vaihtelevat yhdisteiden ja eluentin taitekertoimien erojen suhteessa. Herkkyys detektorilla on varsin vaatimaton ja se on lähes 1000 kertaa epäherkempi kuin UVdetektorit, eikä se sovellu gradienttieluutioon 225

226 Sähkökemialliset detektorit Sellaiset orgaaniset yhdisteet, jotka hapettuvat tai pelkistyvät helposti, mahdollistavat herkän ja selektiivisen sähkökemiallisen detektoinnin (fenolit, aromaattiset amiinit, peroksidit, merkaptaanit, ketonit, aldehydit, jne.). t Sähkökemiallisten detektorien toiminta perustuu kapasitanssin (dielektrisyysvakiodetektorit), resistanssin (johtokykydetektorit), potentiaalin (potentiometriset detektorit) tai virran (kulometriset, polarografiset ja amperometriset detektorit) mittaukseen. 226

227 Sähkökemiallisista detektoreista yleisin nestekromatografiassa käytetty detektorityyppi on amperometrinen detektori. Lisäksi johtokykydetektoria käytetään paljon erityisesti ionikromatografiassa. Muita detektoreja käytetään lähinnä erikoistapauksissa. 227

228 Massaspektrometri detektorina - Massaspektometrin käyttö detektorina on lisääntynyt selvästi myös nestekromatografian yhteydessä. - LC-MS -liitäntä on selvästi monimutkaisempi kuin esimerkiksi GC-MS-liitäntä, koska nestekromatografista tuleva eluentti on nestemäisessä muodossa ja lisäksi detektorille kulkeutuvan liuottimen määrä on paljon suurempi kuin kapillaarielektroforeesissa (ks. myöh.). 228

229 - Myös eluentin koostumus saattaa hankaloittaa LC-MS-sovelluksia. - Suurimpina ongelmina ovat haihtumattomat puskurit ja erilaiset ioniparireagenssit. - Esimerkiksi sulfaatti-, boraatti- ja fosfaattipuskurit eivät sovellu massaspektrometriliitäntöihin. - Ne täytyy korvata haihtuvimmilla puskureilla, jollaisia puskuriaineita ovat mm. ammonium-formiaatti, ammoniumasetaatti, muurahaishappo, etikkahappo ja trifluorietikkahappo. - Vakuumipumppujen täytyy LC-MS-liitännöissä olla huomattavasti tehokkaampia kuin GC-MS-liitännöissä, jotta suuret liuotinmäärät saataisiin tehokkaasti poistettua. 229

230 - Yksinkertaisin tapa käyttää massaspektrometridetektoria on mitata kaikista ioneista aiheutuvaa kokonaisvirtaa. - Tällöin massaspektrometria havaitsee eluaatista kaikki yhdisteet, jotka voidaan ionisoida. - Vaihtoehtoisesti MS voidaan säätää detektoimaan vain tiettyä massalukua tai mittaamaan massaspektrin tietyltä massalukualueelta. - Oppikirjan kuvassa 25-31a on kromatogrammi, joka on mitattu UVdetektorilla kasvinsuojeluaine-seoksesta (lisättynä jokiveteen). Kuvan (b) kohdassa on esitetty saman näytteen kromatogrammi, joka on saatu MS-detektorilta, kun on mitattu ionien totaalivirtaa ja (c) kohdassa kromatogrammi, joka on saatu MS-detektorilta, kun on valittu monitoroitavaksi vain massan ja varauksen suhde m/z =

231 Näytteenä hyönteismyrkkyjä jokivedessä A 240 nm UVdetektori 6. = Imatsakiini m/z = 312 (MH + ) MS (kok. virta) 231

232 Selektiivisyyttä ja tunnistusta voidaan edelleen parantaa tandemmassaspektrometrillä eli MS-MS liitännällä Kolmoiskvadrupoli: Ar Törmäyskenno Alkuperäinen ioni Hajoaa tytärioneiksi Kokonaisionisuihku johdetaan ensimmäiseen kvadrupoliin Q1, joka päästää vain tietyn massaiset ionit kvadrupoliin Q2. Tämä on normaalisti asetettu päästämään kaikki ionit suoraan kvadrupoliin Q3. Q2 kutsutaan törmäyskennoksi, koska siellä on esim. argonia 0,1 Pa paineessa, ja täällä Q1 kvadrupolin läpi päästämät ionit törmäävät Ar-atomeihin hajoten fragmentti-ioneikseen. Tämän jälkeen kvadrupoli Q3 päästää läpi vain halutun massaiset ionit detektorille. Saadaan täten selville, minkä suuruisiksi fragmenteiksi alkuperäinen ioni hajoaa, ja käyttämällä hyväksi kemiallista tietämystä ja massaspektrometrian ammattitaitoa voidaan saada selville, mikä molekyyli oli alkuperäisen ionin lähde. 232

233 Kolonnit Nestekromatografiassa (kuten kaasukromatografiassakin) kromatografisen prosessin tehokkuus paranee, kun voidaan nopeutta massansiirtoa liikkuvan ja stationäärisfaasin välillä. Tämä tarkoittaa tunnusparametreissä pohjan korkeuden H pienentämistä mahdollisimman pieneksi. Kaasukromatografian kapillaarikolonneilla tähän pyritään yleensä pienentämällä kapillaarin sisäpinnan nestemäisen stationäärifaasikerroksen paksuutta ja kapillaarin sisähalkaisijaa, mikä lyhentää molekyylien diffuusimatkaa ja -aikaa systeemissä. Diffuusio nesteissä on noin 100 kertaa hitaampaa kuin kaasufaasissa, mistä johtuen kapillaarikolonneja ei yleensä voida käyttää nestekromatografiassa (kapillaarinkin halkaisija on diffuusiomatkaksi liian pitkä). Tästä johtuen HPLC:ssä käytetään lähes yksinomaan pakattuja kolonneja. 233

234 Nestekromatografiakolonnit on yleensä tehty ruostumattomasta teräksestä tai teräsputkeen asetettavasta lasiputkesta, joka on pakattu sopivalla stationäärifaasilla. Nykyään kolonneja voidaan valmistaa myös polymeerimateriaaleista. Kolonnin tulee kestää korkeita paineita, sen on oltava kemiallisesti inertti ja lisäksi sen sisäpinnan tulee olla hyvin sileä. 234

235 Varsinainen analyyttinen Kolonni Muovinen kolonni metallinen Tukirunko suojakolonni Huokoiset metallisuotimet (frits) 235

236 Kolonnin lämmittäminen yleensä vähentää liuottimen viskositeettia, mikä mahdollistaa nopeamman virtauksen samalla paineella, lyhentää retentioaikoja, parantaa resoluutiota nopeuttamalla liuenneiden aineiden diffuusiota Toisaalta korotettu lämpötila yleensä lyhentää kalliin kolonnin stationäärisfaasin käyttöikää. Tavallisesti kolonniuunia pidetäänkin vain muutaman asteen huoneenlämpötilaa korkeammassa lämpötilassa, millä lähinnä vain lisätään analyysien toistotarkkuutta. 236

237 Stationäärifaasit - Stationäärifaasin valinta riippuu käyttösovelluksesta ja valintoja tehtäessä tulee kiinnittää huomiota perusmateriaaliin, rakenteeseen, muotoon ja kokoon sekä partikkeleiden kokojakaumaan. - Pakkausmateriaalin rakenne voi olla on tarpeen mukaan huokoista tai eluenttia ja liuenneita aineita läpäisemätöntä. - Muodoltaan pakkausmateriaalipartikkelit voivat olla pyöreitä, epäsäännöllisiä tai tankomaisia. - Kokonsa puolesta partikkelit voidaan jakaa makrokokoisiin (16-40 m), keskikokoisiin (5-15 m) ja mikrokokoisiin (1,5-4 m) partikkeleihin. - Lisäksi on huomioitava mm. huokoskoko ja aktiivisen pinta-alan määrä. 237

238 Kuten alla olevasta kuvasta havaitaan, pieni partikkelikoko alentaa pohjan korkeutta H suurillakin virtausnopeuksilla : Sitä pienempi pohjan korkeus ja sitä parempi pohjaluku saavutetaan, mitä pienempiä partikkeleja käytetään Pienten partikkeleiden ongelmana on kuitenkin suuri vastapaine, joka rajoittaa kolonnin pituutta. 238

239 Silika ja sen modifiointi - Silikaa käytetään stationaarifaasina sellaisenaan normaalifaasinestekromatografiassa tai pohjana sidotuille faaseille. - Silikapartikkeleiden tärkeitä ominaisuuksia ovat partikkeleiden muoto, koko, huokoskoko ja huokosten jakaantuminen, tiheys ja partikkeleiden aktiivinen pinta-ala - Silikan pintaan on suhteellisen helppo sitoa erilaisia yhdisteryhmiä johtuen pinnan hydroksyyliryhmien reaktiivisuudesta, jolloin saadaan modifioitua stationäärisfaasin ominaisuuksia huomattavasti. - Yleisimmät reaktiomekanismit, joiden avulla silikaan kiinnitetään erilaisia ryhmiä, ovat esteröinti hapon avulla, reaktio tionyylikloridin ja amiinin kanssa ja etenkin reaktiot mono- tai dikloorattujen silanolien kanssa. 239

240 Organomonokloorisilaanit ovat yleisimmin käytettyjä reagensseja ja niiden avulla saadaan silikan pinnalle muodostettua yksikerroksinen hiiliketjufaasi: Steeristen esteiden vuoksi kaikki silikan vapaat hydroksyyliryhmät eivät reagoi, vaan osa niistä jää aktiivisiksi. O O 240

241 Nykyään faasit käsitelläänkin eri tavoin, jotta vapaiden hydroksyyliryhmien määrä silikan pinnassa vähenee. Vapaat silanoliryhmät voidaan derivatisoida esim. pienikokoisen trimetyylikloorisilaanin avulla, jolloin myös stationäärisfaasin suhteellinen hydrofobisuus kasvaa. Alla olevassa kuvassa (b) silika on käsitelty niin, että suuri osa sen C18 faasin liittämisestä jäljelle jääneistä pintahydroksyyliryhmistä on hävitetty muulla reaktiolla pinnalta. - Amiinien piikit lakkaavat häntimästä ja eluutioaika lyhenee Käsittelemätön, jossa vapaita OH-ryhmiä Trimetyylikloorisilaanikäsitelty 241

242 - Siloksaanisidos (Si-O-SiR) hydrolysoituu ph 2:n alapuolella, joten silikan pintaan sidottuja stationäärifaaseja ei yleensä voi käyttää tätä matalammassa ph:ssa. - Tällöin kuitenkin pintaan voidaan sitoa suurikokoisia orgaanisia ryhmiä sisältäviä silaaneja, jolloin sovatoituneet protonit eivät pääse vuorovaikutukseen silikan ja faasin rajapinnan kanssa. H 3 O + Silikan lisäksi stationäärifaasina käytetään mm. - polymeerejä, - alumiinioksidia (aluminaa), - huokoista lasia, - agaroosia (ristisidottu polysakkaridi) ja - huokoista grafiittia. 242

243 Eluutio Adsorptiokromatografiassa liuenneet molekyylit kilpailevat sitoutumis-paikoista liuotinmolekyylien kanssa. Eluutio käytännössä merkitsee näytemolekyylien korvautumista liotinmolekyyleillä stationäärisfaasin pinnalla. Eluenttivahvuus (eluutiovahvuus, eluent strength, 0 ) on liuottimen adsorptioenergian mitta siten skaalattuna, että pentaanin adsorptio paljaan silikan pintaan on valittu nollakohdaksi. Eluenttivahvuutta voidaan myös portaattomasti muuttaa kromatografoinnin ( ajon ) aikana, jos pumppuja on laitteessa enemmän kuin yksi 243

244 244

245 - Adsorptiokromatografia on esimerkki normaalifaasinestekromatografiasta. - Normaalifaasinestekromatografialla (Normal-Phase Liquid Chromatography, NPLC) tark. sitä, että stationäärifaasi on poolisempi kuin liikkuva faasi. - Stationäärifaaseina käytetään tyypillisesti silikaa tai silikaan sidottuja poolisia (eli polaarisia) stationäärifaaseja. - Poolittomat yhdisteet eluoituvat kolonnista ennen poolisia yhdisteitä. Normaalifaasikromatografia soveltuu myös ionisten ja ionisoituvien yhdisteiden analyysiin, mutta enimmäkseen sitä käytetään neutraalien yhdisteiden analysoinnissa. 245

246 Menetelmä ei kuitenkaan ole yhtä yleisesti käytetty kuin käänteisfaasi-nestekromatografia (Reversed-Phase Liquid Chromatography RPLC) ja yleensä analyysimenetelmää valittaessa kokeillaan ensin RPLC-analyysiä. Polaariset yhdisteet tulevat tällöin kolonnista ulos nopeasti. 246

247 NPLC soveltuu yleensä RPLC:tä paremmin analyysimenetelmäksi mm., kun o o o o analyytti on liian hydrofiilinen eli se ei pidäty RPLC:ssä analyytti on liian hydrofobinen eli se pidättyy liian hyvin RPLC-materiaaleihin näyte on liuotettu orgaaniseen liuottimeen tai se liukenee veteen hyvin huonosti analyytti hajoaa vesipitoisissa liuoksissa 247

248 ELUUTIOTYYPIT - Nestekromatografiassa voidaan käyttää joko isokraattista eluutiota tai gradienttieluutiota. - Isokraattisessa eluutiossa eluenttikoostumus pysyy muuttumattomana kromatografoinnin (eli ajon ) aikana. - Tällöin ei tarvita kuin yksi pumppu; tarvittava laite on siis suhteellisen halpa ja yksinkertainen. - Isokraattisella eluutiolla ei haluta kuitenkaan analysoida kaikkia näytteitä, koska sen avulla ei päästä niin hyvään ja nopeaan erotukseen kuin gradienttieluutiolla, jossa liuottimen koostumusta muutetaan kromatografoinnin aikana. 248

249 Gradienttieluutio 80% AN 30% AN 45% AN 8 min 5 min 15 min 2 min < 40 min (aik. 125 min) 249

250 Kun kokeiltiin voitaisiinko jyrkemmällä gradientilla (gradienttiaika vain 20 min) edelleen lyhentää analyysiaikaa, havaittiin, että loppupuolen piikit eivät erottuneet enää kunnolla: 250

251 26.1 Ioninvaihtokromatografia Ioninvaihtokromatografia perustuu sähköisiin vetovoimiin. Ts. positiivisesti varattu stationäärifaasi vetää puoleensa ja pidättää negatiivisesti varattuja ioneja (anioneja) ja negatiivisesti varattu stationäärifaasi positiivisesti varattuja ioneja (kationeja). 251

252 Katininvaihtohartseihin on yleensä sidottu sulfonihapporyhmiä (esim. Dovex 50, Amberlite IR-120) tai karboksyylihapporyhmiä ( Esim. Amberlite IRC-50). H + H + Anioninvaihtohartseihin tai selluloosaan on yleensä sidottu kvartäärisiä ammonium ryhmiä ( Quaternary amine, esim. Amberlite IRA-400, Dovex 1) tai polyalkyyliaminoryhmiä (Dovex 3,Amberlite IR-45) OH - OH - 252

253 Vettä puhdistetaan laboratoriokäyttöön pumppaamalla sitä suurten Ioninvaihtomassasäiliöiden läpi: Vettä myös pehmennetään Teollisuuskäyttöön ioninvaihdolla: 253

254 Ioninvaihtohartsit ovat yleensä stryreenin ja divinyylibentseenin kopolymeerejä (selluloosaa ja dekstraania käytetään myös ioninvaihtomassojen runkomateriaalina, erityisesti biotieteissä) Vahvasti hapan kationinvaihtohartsi Vahvasti emäksinen anioninvaihtohartsi 254

255 Sephadex (ristisidottu dekstraani) 255

256 Ionikromatografia (HPLC-versio) Demo: - Detektorina johtokykydetektori - Kolonnit: erotuskolonni + supressorikolonni - Supressoitu anionikromatografia tai - Supressoitu kationikromatografia näyte Anionien erotuskolonni näyte Kationien erotuskolonni Vahva emäks. anionvaihtaja CO muodossa Vahva hapan kationinvaihtaja H + -muodossa supressorikolonni supressorikolonni Vahva hapan kationinvaihtaja H + -muodossa Vahva emäks. anionvaihtaja OH - -muodossa Na 2 CO 3 Vaihtuu H 2 CO 3 :ksi! Johtokykydetektori Supressorikolonnit regeneroidaan ajojen välillä HCl Vaihtuu H 2 O:ksi! 256

257 257

258 Anionikromatografinen kromatogrammi - HPLC-laite pystyy tuottamaan liuotin-, ionivahvuus- ja ph-gradientteja 258

259 Lantanoidi(III)ionien erottaminen H + -gradientilla 259

260 26.5 Kapillaarielektroforeesi (AC 2.1: Elektroforeesiksi kutsutaan ionien migraatiota sähkökentässä liuoksessa tai geelissä Kapillaarielektroforeesissa elektroforeesisi tapahtuu yleensä (alun perin kaasukromatografiaa varten tehdyn) kvartsikapillaarin sisällä. Kapillaarin pituus on esim. 50 cm ja kapillaarin päiden välille kytketään korkea jännite (esim. noin 30 kv) 260

261 Van Deemterin yhtälö: Kapillaarielektroforeesissa päästään helposti pohjalukuihin ! (noin kertalukua parempi kuin kromatografiassa) HPLC CE CE 261

262 - Näyte injektoidaan joko hydrodynaamisesti kaasun paineella (ylipaineinjektio), alipaineella (vakuumi-injektio), lappoinjektiolla tai sähkökineettisesti - Sähkökineettisessä injektiossa injektio tapahtuu sähkökentän avulla (injektio on selektiivinen ) - Elektroforeesin aikana varauksellisten liuenneiden aineiden etenemisen aiheuttaa voima qe ja etenemistä hidastaa kitkavoima fu ep, jossa f on kitkakerroin ja u ep kyseisen ionin liikkumisnopeus - Vakiona pidetyn jännitteen vaikutuksesta yleisesti elektroforeesissa saavutetaan hyvin nopeasti vakioetenemisnopeus kohti anodia tai katodia Biokemiassa elektroforeesi suoritetaan yleensä erilaisissa geeleissä

263 - Kapillaarielektroforeesi suoritetaan yleensä olosuhteissa, joissa kapilllaarin sisäpinta on negatiivisesti varautunut (pintahydroksyyli-ryhmistä osa on deprotonoitunut) - Näihin O - -ryhmiin adsorboituu liikkumaton kerros kationeja puskurielektrolyytistä - Tämän kerroksen ulkopuolella on ns. diffuusi kerros kationeja, jotka ovat jonkin verran vuorovaikutuksessa pinnan negatiivisen varauksen kanssa - Diffuusin kerroksen paksuus on luokkaa 10 nm, kun ionivahvuus on noin 1 mmol/l ja noin 0,3 nm ionivahvuuden ollessa 1 mol/l 263

264 - Sähkökentän vaikutuksesta kapillaarin keskustassa olevat kationit ja diffuusin kerroksen kationit lähtevät kulkemaan kohti katodia + Kationit kuljettavat mukanaan niiden solvaattiverhona olevia vesimolekyylejä, mistä aiheutuu profiililtaan tylppä virtaus kohti katodia, joka kuljettaa mukanaan myös varauksettomia molekyylejä (= elektro-osmoosi) 264

265 Kromatografiassa puolestaan paineen avulla aikaan saatava virtaus on profiililtaan parabolinen, minkä vuoksi kromatografiassa saavutetaan kapillaarielektroforeesiiin nähden paljon voimakkaampi vyöhykeleveneminen ja huonompi resoluutio Tylppä virtausprofiili Elektro-osmoottisen virtauksen nopeus on sitä suurempi, mitä suurempi on kapillaarin negatiivinen varaus: esim. kun ph on 9 tyypillinen virtausnopeus on noin 2 mm/s ja, kun ph on noin 3 virtausnopeus on luokkaa 0,2 mm/s. 265

266 Detektorit kapillaarielektroforeesissa Absorbanssin mittaus: Fluoresenssidetektorilla yleensä riittää viritysvalon kulkeminen kertaalleen kapillaarin poikki (etenkin laserien tapauksessa) Amperometrinen detektori 266

267 Massaspektrometri detektorina Johtuen paljon pienemmistä puskuritilavuuksista kapillaarielektroforeesi on paljon helpompi liittää massaspektrometriin kuin HPLC-laite - Tavallisimmin käytetään sähkösumutusliitäntää _ V V 267

268 Virtausinjektioanalyysi (Flow Injection Analysis, FIA) Laitteisto on usein hyvin yksinkertainen. Periaatteessa tarvitaan vain (1) letkupumppu, (2) injektori, (3) reaktiokierukka ja (4) detektori. Detektori voi olla esim. fotometri tai sähkökemiallinen detektori. Reaktiokierukka on on usein termostoitavissa muuhun kuin huoneen lämpötilaan reaktion nopeuttamiseksi. Yksinkertaisissa systeemeissä liuosnäyte injektoidaan kantajavirtaan, jolloin syntyy näytevyöhyke. Tämän jälkeen näyteliuoksen analyytti muodostaa reagenssiliuoksen kanssa sellaisen yhdisteen tai kompleksin, joka voidaan havaita detektorilla (esim. muodostuneen värin perusteella). Näytevyöhyke laimenee ajon aikana, mutta tähän voidaan vaikuttaa mm. injektiotilavuudella, virtausnopeudella sekä letkun pituudella ja paksuudella 268

269 Virtausinjektioanalyysi Toisinaan käytetään useammalla letkulla varustettua letkupumppua reagenssivirran/reagenssivirtojen yhdistämiseksi kantajavirtaan sopivassa kohdassa. Letkujen koolla voidaan säätää virtaus-nopeuksien suhdetta toisiinsa. Käytetystä detektointireaktiosta johtuen koko systeemi voi olla räätälöity hyvinkin erilaiseksi esim. johonkin tiettyyn prosessianalyysin ongelmaan sopivaksi ratkaisuksi. FIA-systeemien automatisointi on varsin helppoa. Joskus käytetään myös kalliimpia mäntäpumppuja. 269

270 Virtausinjektioanalyysi Toisinaan ei sovelleta mitään apureaktiota vaan ioneita detektoidaan virtauskanavasta ioniselektiivisillä elektrodeilla kukin vuorollaan Toisinaan osa analyyteistä määritetään ioniselektiivisillä elektrodeilla ja osa esim. amperometrisesti mm. kliinisen kemian analysaattoreissa Hyvin pienet mikroelektrodit, ultramikroelektrodit, mahdollistavat voltammetriset detektiomenetelmät sekä kapillaarielektroforeesin että virtausinjektioanalyysin yhteydessä. 270