Analytická chémia

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Klasické metódy analytickej chémie

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

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

Plameňová skúška
Metóda využíva sfarbenie nesvietivého plameňa niektorými prvkami, ktorých elektróny sa dostávajú do vzbudeného stavu už pri teplote tohoto plameňa a následne dochádza k vyžiareniu tejto energie. Vzorka sa do plameňa vnáša na platinovým drôtom vyčisteným v zriedenej HCl. Farby niektorých katiónov:
 vápnik – tehlovočervená
 draslík – fialová
 lítium – karmínovočervená
 sodík – žltá
 meď – zelená
 stroncium – modrá

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

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

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

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

Titrácia
Volumetrická metóda určená na zistení objemu skúmadla, potrebného na úplné zreagovanie stanovovanej zložky v analyzovanom roztoku vzorky, čo nastane v bode ekvivalencie. Bod ekvivalencie sa stanovuje indikátorom alebo v inštrumentálnych metódach titrácie meraním elektrickej veličiny. Zo zisteného objemu známej koncentrácie sa stanoví obsah zisťovanej látky. Podľa spôsobu titrácie sa táto delí na priamu, spätnú a nepriamu.
Podľa použitých druhov titračných roztokov sa delia na:
 Acidobazické titrácie
 Acidimetria – titračný roztok je kyselina
 Alkalimetria – titračný roztok je zásada
 Komplexotvorné titrácie
 Chelatometria
 Merkurimetria
 Zrážacie titrácie
 Argentometria
 Oxidačno-redukčné titrácie – (Oxidometria a reduktometria)
 Manganometria
 Dichromatometria
 Cerimetria
 Bromátometria
 Jodometria
 Titanometria

Inštrumentálne metódy analytickej chémie

Optické metódy

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

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

Ostatné optické metódy
 Röntgénová difrakčná spektrometria
 Interferometria
 Refraktometria
 Polarimetria
 Nefelometria a Turbidimetria

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

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

Separačné metódy
 Chromatografia
Podľa skupenstva vzorky:
 Plynová chromatografia – GC
 Kvapalinová chromatografia – LC, HPLC
Podľa metódy separácie:
 Absorpčná – LSC, GSC
 Rozdeľovacia – LLC, GLC
 Ionexová – IEC
 Gélová – GPC
Podľa spôsobu uloženia stacionárnej fázy:
 kolónová chromatografia (stĺpcová)
 chromatografia na tenkej vrstve – TLC
 papierová chromatografia – PC
 Elektromigračné separačné metódy
 Elektroforéza
 Izotachoforéza
 Izoelektrická fokusácia

Mikroskopia

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

Iné
 Biochemická analýza – na dôkazy sa používajú mikroorganizmi
 viskozimetria

Pojmy

Vzorka
Vzorka je len malým podielom z množstva materiálu, z ktorého sa má urobiť chemický rozbor, potrebný pre daný chemický rozbor. Odobranie – vzorkovanie a uchovanie vzorky sú jednými z rozhodujúcich podmienok pre správnosť výsledkov. Spôsob ododbrania vzorky závisí od povahy homogenity a skupenskstva skúmaného materiálu a býva predpísaný normami:
STN 01 5110 Vzorkovanie materiálov. Základné ustanovenia 
STN 01 5111 Vzorkovanie sypkých a zrnitých materiálov
STN 01 5112 Vzorkovanie kvapalín a pastovitých materiálov zrušená 1.6.2004
STN 65 0512 Vzorkovanie kvapalín
STN 01 5113 Vzorkovanie plynov
STN 65 6005 Ropa a ropné výrobky. Vzorkovanie nahradená STN EN ISO 3170:1999-04 
a iné

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Referencie

Externé odkazy 

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