Moduláris korszerű szakmai gyakorlatok vegyipari területre

Átírás

1 Moduláris korszerű szakmai gyakorlatok vegyipari területre Műszeres analitika II/14. évfolyam tanulói jegyzet A TISZK rendszer továbbfejlesztése Petrik TISZK TÁMOP /1-2F A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

2 Moduláris korszerű szakmai gyakorlatok vegyipari területre Műszeres analitika TÁMOP /1-2F Műszeres analitika II/14. évfolyam tanulói jegyzet

3 A kiadvány a TÁMOP /1-2F azonosító számú projekt keretében jelenik meg. Szerző: Sőre Ferenc, Tihanyi Péter Lektorálta: Vámos István Borító és tipográfia: Új Magyarország Fejlesztési Terv Arculati kézikönyv alapján A mű egésze vagy annak részletei az üzletszerű felhasználás eseteit ide nem értve oktatási és tudományos célra korlátozás nélkül, szabadon felhasználhatók. A tananyagfejlesztés módszertani irányítása: Observans Kft. Budapest, Igazgató: Bertalan Tamás Tördelés: Király és Társai Kkt. Cégvezető: Király Ildikó

4 Tartalomjegyzék Bevezetés...7 Mérési adatok értékelése...8 A mérési hiba...8 Valódi és várható érték...8 A hibák fajtái...8 A szórás...9 Párhuzamos mérési adatok értékelése...9 Mérési eredmény megadása...10 A relatív hiba...10 Kalibráció Egyenes illesztése mérési pontokhoz Excel programmal Ellenőrző feladatok Optikai mérések elmélete Refraktometria Az Abbe-féle refraktométer...16 Fotometria spektrofotometria Ultraibolya (UV) és látható (VIS) spektrofotometria...17 Fotométer, spektrofotométer...17 A Lambert Beer-törvény...18 Ellenőrző feladatok Optikai mérések gyakorlat 1. ciklus gyakorlat Üdítőital vagy szörp cukortartalmának meghatározása refraktometriás módszerrel gyakorlat Színezékoldat koncentrációjának meghatározása spektrofotometriás módszerrel gyakorlat Acetonoldat abszorpció maximumának és összetételének meghatározása spektrofotometriás módszerrel gyakorlat Nitrition meghatározása spektrofotometriás módszerrel gyakorlat Kétkomponensű minta fotometriás meghatározása gyakorlat Reakciósebesség fotometriás meghatározása...31 Ellenőrző feladatok Optikai mérések elmélete Infravörös spektrometria...34 Készülékek...34 A belső standard használata...36 Fluoreszcens spektrometria (Fluorimetria) A standard addíció használata Ellenőrző feladatok Fotometriás módszer validálása PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

5 A validálás fogalma Mikor van szükség validálásra? Az analitikai módszer teljesítményjellemzői Pontosság, helyesség (Accuracy, Trueness)...43 Precizitás, ismételhetőség és reprodukálhatóság...44 Szelektivitás, specifikusság, azonosság...46 Kimutatási határ (Detection Limit), meghatározási határ (Quantitation Limit)...46 Mérési tartomány, lineáris tartomány...47 Robosztusság, állékonyság (Robustness)...48 Visszanyerési tényező (Recovery)...48 Ellenőrző feladatok...50 Optikai mérések gyakorlat 2. ciklus gyakorlat Csapadékminta ph-jának fotometriás meghatározása gyakorlat Minta CaCO3 tartalmának meghatározása belső standard kalibrációval, IR spektrometriásan gyakorlat Vas meghatározása tiocianátos módszerrel spektrofotometriásan, standard addícióval gyakorlat Üdítőital kinintartalmának fluorimetriás meghatározása gyakorlat Szerves anyag meghatározása FTIR méréssel /A gyakorlat Validálási részfeladat kimutatási és meghatározási határ /B gyakorlat Validálási részfeladat precizitás /C gyakorlat Validálási részfeladat pontosság /D gyakorlat Validálási részfeladat visszanyerés /E gyakorlat Validálási részfeladat mérési tartomány...72 Ellenőrző feladatok Elektrokémiai mérések gyakorlat gyakorlat PH mérés hidrogén érzékeny-üvegelektróddal gyakorlat Jodidiontartalom-meghatározás, jodidérzékeny membránelektróddal, kalibrációs módszerrel gyakorlat Fluoridiontartalom-meghatározás, fluoridérzékeny elektróddal, kalibrációs módszerrel gyakorlat Karbonáttartalom-meghatározás, hidrogénérzékeny üvegelektróddal, automata titrálón gyakorlat Foszforsavtartalom-meghatározás, hidrogénérzékeny üvegelektróddal, sav-bázis titrálással gyakorlat Sósavtartalom-meghatározás pufferaddíciós módszerrel gyakorlat Vastartalom-meghatározás, redoxi titrálással gyakorlat Hidrokinontartalom-meghatározás redoxi titrálással gyakorlat Kénsavtartalom-meghatározás konduktometriás titrálással gyakorlat Kálium-kloridtartalom-meghatározás a vezetőképesség mérésével gyakorlat Víztartalom-meghatározás Karl-Fischer módszerrel gyakorlat Cinktartalommeghatározás stripping polarográfiásan Műszeres analitika tanulói jegyzet II/14. évfolyam

6 Kromatográfiás módszer gyakorlat gyakorlat Minta oldószer tartalmának azonosítása a retenciós idők alapján gyakorlat Minta metanol-etanol tartalmának meghatározása kalibrációs módszerrel gyakorlat Minta-oldószertartalom meghatározása belső standard módszerrel gyakorlat Minta oldószertartalomának meghatározása addíciós módszerrel gyakorlat Oszlop minősítése, felbontóképesség és tányérszám mérése gyakorlat Minta összetevőinek azonosítása tömegspektrometriás detektorral gyakorlat Minta anion-összetételének azonosítása gyakorlat Minta aniontartalmának meghatározása kalibrációs módszerrel gyakorlat Minta szalicilsav-tartalmának meghatározása, kalibrációs módszerrel gyakorlat Parabeneket tartalmazó minta parabentartalmának meghatározása, kalibrációs módszerrel gyakorlat Minta aminosav összetételének azonosítása PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

7

8 Bevezetés A 14. évfolyamon a laboratóriumi gyakorlatok tartalma műszeres analitika. A kémiai elemzésnek ez az ága ma már nélkülözhetetlen a legkülönbözőbb területeken: vegyszerek ellenőrzése, folyamatok szabályozása, gyógyszerek, élelmiszerek, környezeti minták vizsgálata. Ahol csak lehet, ezeket alkalmazzák előnyeik miatt: objektivitás, gyorsaság, automatizálhatóság. A tanév folyamán megismerkedünk a műszeres analitika főbb ágaival, az elméleti ismereteken kívül gyakorlatokon keresztül is. A tananyagcsomag a tanulói jegyzeten kívül a tananyag megértését, szemléltetését segítő tanári prezentációkat is tartalmaz, amik az iskola belső hálózatáról letölthetők. Ismerni kell a fogalmakat, összefüggéseket és tudni kell ezeket alkalmazni. Ezek ellenőrzésére feladatok találhatók a tanulói jegyzetben. Leírás alapján a méréseket egyedül vagy csoportosan el kell végezni. A vizsgálatról mindenkinek egyénileg jegyzőkönyvet kell készíteni (minta a későbbiekben), amiben minden benne van, ami a mérés megismétléséhez kell. A tanulói jegyzetben a tananyag fontos elemeit, a példákat és a tanulási tippeket különböző ikonok jelölik. Ikon Jelentés A fejezet célmeghatározása. Figyelmesen olvassa el, így megismeri a fejezet fókuszpontjait! Az ismeretek elsajátítását megkönnyítik a példák. Az ikon mellett érdekességeket, példákat, gyakorlati életből vett esetleírásokat talál. Az ikon fontos, jól megjegyzendő, megtanulandó ismereteket jelez pl. a mérések elve. Az ikon mellett olyan gondolatébresztő, kérdéseket, felvetéseket, problémákat talál, amelyek megválaszolásával elmélyülhet a témában. Az ikon a házi feladatot, otthoni munkát jelöli. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

9 Mérési adatok értékelése A témakör célja Ismerje meg az adatfeldolgozás alapfogalmait. Értse a hibák fajtáinak különbségét, összefüggéseit. Tudja a tanult fogalmakat, összefüggéseket önállóan használni az adatai értékelésére. A tanítási egységet befejező tanuló rendelkezzen olyan szakmai készségekkel, képességekkel, szakmai ismeretekkel, attitűdökkel, kompetenciákkal, amelyek lehetővé teszik, hogy a mérési adatokat feldolgozza és dokumentálja. A mérési hiba Valódi és várható érték Egy kémiai elemzés célja mindig valamely vizsgált anyag egy vagy több komponensének minőségi vagy mennyiségi meghatározása. A valódi értéket abszolút pontossággal nem tudjuk megmérni, csak közelíteni a mérésekkel. Több mérést végezve, az átlag reményeink szerint a valódi értéket egyre jobban közelíti. A mért értékek átlaga a várható érték ( x ), ami nem azonos a valódi értékkel: x n i = = 1 n x i A hibák fajtái A hiba a valódi és a mért érték eltérése, különbsége. Több párhuzamos mérést végezve a várható érték egyre kevésbé ingadozik, ezt láttuk az előző ábrán. A várható értéket rendszeres és véletlen hibák terhelhetik. Ezek viszonyát mutatja a következő ábra: 1.1. ábra. A hibák fajtái A véletlen hiba, aminek az okát nem ismerjük, általunk figyelembe nem vett tényezők okozzák. Ilyenek: a hőmérséklet változása, a hálózati feszültség ingadozása, súrlódás, huzat, stb. Ezek ingadozása több mérésnél kiegyenlítődik. 8 Műszeres analitika tanulói jegyzet II/14. évfolyam

10 A rendszeres hibák oka felderíthető, így ezek csökkenthetők. Gyakori rendszeres hiba az arányos hiba: pl. egy óra minden nap 1 percet siet. Rendszeres hiba pl. a parallaxis hiba (ld. ábra), az elmozduló skála okozta eltérés. Felülről vízszintesen alulról kevesebbnek látjuk. a helyes értéket, többnek látjuk, 1.2. ábra. A parallaxis hiba Egy másik csoportosítás szerint van objektív és szubjektív hiba. Szubjektív hiba, amiről a mérést végző személy tehet (ilyen a parallaxis hiba is). Objektív, amiről a mérő személy nem tehet, a készülék, eszköz hibája, pontatlansága (pontatlan büretta vagy óra, stb.). A szórás A szórás (σ) a párhuzamos mérési eredmények közötti eltérés jellemzésére szolgál; a várható értékek körüli mérési eredmények szoros vagy laza csoportosulását jellemzi. Gyakorlatban a korrigált tapasztalati szórással (s, sd) becsüljük. A korrigált tapasztalati szórás (s, más néven standard deviáció, sd) számítása: A szórás jelentése s = n i = 1 2 ( x x ) i n ábra. A normális eloszlás sűrűségfüggvénye x ±s határok közé esik a mért értékek kb. 2/3-a (68,2%-a) x ±2 s határok közé esik a mért értékek 95,5%-a x ±3 s határok közé esik a mért értékek 99,7%-a A szórás alkalmazása: a méréseknek az átlagtól való eltérését, ez által a mérések megbízhatóságát jellemezzük vele. Párhuzamos mérési adatok értékelése Az előbbiek alapján belátható, hogy egy méréshez tartozó adatok közül azok, amelyek ± 3 s tartományon kívül esnek, durva mérési hibákból erednek, valószínűleg jobb, ha elhagyjuk azokat. 1. mintafeladat Egy mérésre a következő számértékek adódtak: 11,2; 11,3; 11,1; 10,4. Számítsa ki az átlagot, a szórást, ha kell, hagyjon el adatot! PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

11 x = 11,0 s = 0,41. Az utolsó adat gyanúsan messze van az átlagtól. Számítsuk ki az átlagot és a szórást annak elhagyásával! x = 11,2 s = 0,10. Az utolsó adat a x ±3 s tartományon kívül van, helyes volt az elhagyás. Mérési eredmény megadása A mérési eredmény számértékén és mértékegységén kívül a megbízhatósága is fontos lehet. Mennyi a mérésünk megbízhatósága? Attól függ, milyen biztonsággal/valószínűséggel szeretnénk, hogy a tényleges érték a megadott tartományba essék. Általában a 95%-os biztonság megfelelő. Ebben az esetben általánosan: x ±2 s az eredmény. 2. mintafeladat Az előző mérési adatokból (11,2; 11,3; 11,1; 10,4) adjuk meg az eredményt a megbízhatóság jelölésével! Az átlag és a szórás értéke: x = 11,2 s = 0,10. x = 11,2 ± 0,2 (95%-os szinten) Ebből adódik, hogy nincs is értelme több tizedesre megadni, hiszen a mérés megbízhatósága nem indokolja. A relatív hiba A relatív hiba az abszolút hiba eredményhez viszonyított értéke. Legtöbb esetben ez fontosabb, mint az abszolút hiba. A relatív hiba mértékeként a tapasztalati szórásnak (s, sd) az átlaghoz viszonyított %-os értékét használjuk: sd rsd = 100% x 3. mintafeladat Az előbbi feladat esetében: x = 11,2 s = 0,10 x = 11,2 ± 0,2 (95%). Számítsuk ki a relatív szórást, és az eredményt adjuk meg azzal: rsd = 1,8 % Az eredmény tehát: x = 11,2 ± 1,8% (95%-os szinten). Kalibráció Az analitikai jel és a koncentráció összefüggése általában nem adható meg elméleti alapon egzakt módon, így tapasztalati összefüggéseket használunk. A leggyakoribb módszer, hogy ismert koncentrációjú oldatokat készítünk, azokat a műszerrel megmérjük, a kapott értékeket analitikai jel koncentráció diagramon ábrázoljuk, a pontokhoz görbét (egyszerű esetben egyenest) illesztünk. 10 Műszeres analitika tanulói jegyzet II/14. évfolyam

12 Az így kapott tapasztalati összefüggést nevezzük analitikai mérőgörbének (kalibrációs diagramnak). Az ábrázolás és görbe (függvény) illesztése történhet kézi módszerrel, mm-papíron vagy egy erre alkalmas számítógépes szoftverrel. Egyenes illesztése mérési pontokhoz Excel programmal A következőkhöz számítógépre van szükség, a kipróbálás, illetve a begyakorlás e nélkül nem lehetséges. 4. mintafeladat Az oldatsorozat tagjai: 20, 40, 60, 80 és 100 mg/dm 3 koncentrációjúak. Ezekre és az ismeretlenre rendre a következő jel értékeket kaptuk: 0,156; 0,302; 0,468; 0,620; 0,768; 0,555. Illesszünk egyenest a mérési adatokhoz és határozzuk meg az ismeretlent! Az Excel program elindítása után beírjuk az adatainkat két oszlopba: c, mg/dm 3 analitikai jel 20 0, , , , ,768??? 0,555 A kalibrációs adatokat kijelöljük (az ábrán szürke mezőben) és elindítjuk a diagramvarázslót. A lépések a következők: 1. A pontdiagramból az első altípust választjuk. Tovább gomb. 2. A Tovább gombot megnyomjuk. 3. Beírjuk a diagramcímet és a koordináták neveit, mértékegységeit. 4. (diagram a munkalapon) Befejezés. 5. Kattintsunk duplán a szürke területre és a területnél a nincs -et jelöljük be, majd OK. 6. Bökjünk az Adatsor 1 feliratra, majd a Delete gombbal töröljük. 7. Az egér jobb gombjával kattintsunk valamelyik mérési pontra és a legördülő menüből válasszuk a Trendvonal felvételét. 8. Válasszuk a Lineárist, az Egyebeknél jelöljük be az Egyenlet látszik a diagramon-t és az R 2 értéke látszik a diagramon-t, majd OK. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

13 A kész diagram: Leolvasás a diagramról kb. 72 mg/dm ábra. Az analitikai mérőgörbe (egyenes) illesztése Az ismeretlen koncentrációjának meghatározása történhet: grafikusan (ld. az ábrán) vagy az egyenes egyenletéből számítva. Az analitikai mérőgörbén a következőket látjuk: analitikai jel = 0,0077 c+0,0002 és R 2 = 0,9996 Behelyettesítve az ismeretlenre kapott jelet (0,555) az egyenletből c kiszámítható: 0,555 = 0,0077 c+0,0002 c = 72,05 mg/l 72 mg/dm 3 R 2 értéke azt jellemzi, hogy az egyenes mennyire szorosan illeszkedik a pontokhoz, minél közelebb van 1-hez, annál jobb. Ellenőrző feladatok 1. Mi a tényleges és a várható érték, a mérési hiba? 2. Mi a különbség a véletlen és a rendszeres hiba között? 12 Műszeres analitika tanulói jegyzet II/14. évfolyam

14 3. Miből látszik a rendszeres hiba a kalibrációs egyenesen/görbén? 4. A valódi érték meghatározását zavarja-e a rendszeres hiba a kalibrációs görbe felvétele esetén? Válaszát indokolja! 5. A mérés során a következő értékeket kapta: 9,8; 9,7; 9,5; 10,2. Számoljon átlagot és szórást, ha kell, hagyjon el adatot! Adja meg az eredményt a megbízhatósági tartomány jelölésével 95%-os megbízhatóság esetére! 6. A következő mérési hibákat sorolja be a táblázat rovataiba (csak a számát írja be)! 1. parallaxis hiba 2. elcsúszott hőmérőskála 3. változó hőmérséklet 4. ingadozó hálózati feszültség 5. siető óra objektív szubjektív rendszeres véletlen PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

15 7. A kalibráció során az oldatsorozat tagjaira (2, 4, 6, 8 és 10 mg/dm 3 koncentráció) és az ismeretlenre rendre a következő analitikai jel értékeket kapta: 0,149; 0,312; 0,453; 0,596; 0,754; 0,543. Számológéppel, vagy, ha van, számítógéppel készítse el a kalibrációs egyenest! Számítsa ki az eredményt a kapott képletből! Az ebben a fejezetben tanultakat a mérések csaknem mindegyikénél használni fogjuk. A tananyag részletesebben megtalálható a szakirodalom-jegyzék 1. pontja alatti könyvben a oldalakon: Sőre, Tihanyi, Vámos (1999): Laboratóriumi gyakorlatok, Budapest: Képzőművészeti Kiadó. 14 Műszeres analitika tanulói jegyzet II/14. évfolyam

16 Optikai mérések elmélete 1. A témakör célja Ismerje meg az optikai mérések alapvető fogalmait. Értse meg az optikai jelenségeket összefüggéseikben. Tudja, hogy a jelenségek az összefüggések alapján milyen gyakorlati feladatok megoldására használhatók. Refraktometria A fény-anyag kölcsönhatásokon belül alapvetően két nagy területről kell beszélnünk: 1. a fény az anyagon kívülről érkezik valamilyen fényforrásból; 2. a fény az anyagi közegben keletkezik: emissziós jelenségek. Nézzük az 1. esetet! A fény másik homogén közeg határához érve két részre oszlik: 2.1. ábra. Fényvisszaverődés és fénytörés A törésmutató (n) egy hányados, a törési szög (β) és a beesési szög (α) sinusának hányadosa (Snellius Descartestörvény), és a két közegben mérhető fényterjedési sebesség hányadosa: Általánosságban az n 2,1 a második közegnek az első közegre vonatkoztatott törésmutatója. A vákuum törésmutatója 1, de rendszerint a levegőre vonatkoztatott törésmutatót adunk meg, ami majdnem megegyezik a vákuumra vonatkoztatott értékkel. Ha optikailag sűrűbb közegből a fénysugár optikailag ritkább közegbe lép, akkor a beesési szög meghatározott értékén túl a határfelületről teljesen visszaverődik. Azt a beesési szöget, amelynél a fénysugár éppen érintőlegesen halad, a teljes reflexió határszögének nevezzük (α H ). Ekkor a törési szög 90. Mivel sin 90 = 1, a Snellius Descartestör vény a következőképpen egyszerűsödik: n 2,1 = 1/sin α H. A teljes visszaverődés az alapja a délibáb jelenségének, ez teszi lehetővé a fény vezetését (üvegszálas fénykábel) és a törésmutató mérését is.. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

17 Az Abbe-féle refraktométer Az Abbe-féle refraktométer legfontosabb része a termosztálható prizmatest. Ez két azonos, nagy törésmutatójú ólomüvegből készült prizma, melyek közé rétegezzük a mérendő anyagot. A tulajdonképpeni mérés a felső prizmával történik. Méréskor billenthető tükör segítségével fénynyalábot irányítunk a prizmákra. A második prizmából kilépő és a távcsőbe jutó fénynyalábban a teljes visszaverődés határszögének a látótér sötét és világos része közti határvonal felel meg. Ha a prizmát úgy állítjuk be, hogy a látótér sötét és világos részének határvonala a távcső fonálkeresztjére essék, a skálán közvetlenül leolvashatjuk a törésmutatót (n = 1,3 1,7). A másik skálája cukoroldat %-os szárazanyag tartalmát mutatja ábra. Abbe-féle refraktométer vázlata Az Abbe-féle refraktométert általában fehér fénnyel világítjuk meg. Ilyenkor azonban a sötét határvonal nem éles, hanem a színszóródás miatt szivárványszínű spektrumsávból áll. Ennek megszüntetésére a készülékbe kompenzátort (Amici prizmák) építenek be, ami megszünteti ezt. Fotometria spektrofotometria A fény elektromágneses hullám. Ebből az emberi szem által érzékelhető tartomány a látható fény (VIS). Az ultraibolya (UV) tartományt szemünk nem érzékeli. Az elektromágneses hullámok jellemzésére a hullámhosszt (λ, nm), frekvenciát (ν, Hz) használjuk. Az elektromágneses hullámok csökkenő frekvencia és energia, növekvő hullámhossz szerint: kozmikus sugárzás, γ-sugárzás, Röntgen-sugárzás, UV, VIS, IR, mikrohullám, rádióhullám fény. Az abszorpciós spektrofotometria (fotometria) az anyagok fényelnyelő képességét vizsgálja. 16 Műszeres analitika tanulói jegyzet II/14. évfolyam

18 Ultraibolya (UV) és látható (VIS) spektrofotometria A következőkben csak a spektrofotometria molekula-spektroszkópiai módszerével foglalkozunk. Az UV- VIS tartományban a molekulák kötő elektronjai gerjesztődnek. Az elnyelési színkép jellemző az anyagra és annak szerkezetére, de a széles sávok miatt minőségi azonosításra egymagában nem alkalmas. Transzmittancia (T): az áteresztett fény hányada: T = I/I 0 Abszorbancia (A): I A = I 0 1 = T = 100 T % Fotométer, spektrofotométer Egy- és kétfényutas spektrofotométereket használunk ábra. Egyfényutas spektrofotométer elvi vázlata Jelmagyarázat: M monokromátor, D detektor Az egyfényutas spektrofotométerben csak egy küvetta helyezhető el, így egymás után mérhető a vakpróba és a minta által áteresztett fény intenzitása. Fényforrás: látható fény tartományára többnyire wolfram lámpa, UV tartományban deutérium-lámpa. Monokromátor: az összetett fényt hullámhossz szerint felbontja. Régebben prizmákat, ma főként optikai rácsot (egyszerű készülékben esetleg színszűrőt) használnak. Küvetta: mintatartó eszköz. Többnyire 1 cm-es fényút hossz. Látható tartományban üvegből vagy műanyagból készül, UV-tartományban kvarc küvettát használunk. Detektor: a fénysugárzást elektromos jellé alakítja fotocella, fotodióda (diódasor), fotoelektronsokszorozó. A kétfényutas spektrofotométerben két küvetta helyezhető el, így majdnem egyszerre mérhető a minta és a vakpróba által áteresztett fény intenzitása ábra. Kétfényutas spektrofotométer elvi vázlata Jelmagyarázat: M monokromátor, D detektor A spektrofotométerben folytonosan tudjuk változtatni a mintára jutó fény hullámhosszát. A fotométerekben csak meghatározott hullámhosszak állíthatók be (színszűrők, LED [fényemittáló dióda] fényforrás). PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

19 A Lambert Beer-törvény A Lambert Beer-törvény szerint az abszorbancia egyenesen arányos a koncentrációval: I 0 = A = ε c, I ahol ε a moláris abszorpciós együttható, l az úthossz (rétegvastagság), c a vizsgált oldat koncentrációja. Fényáteresztéssel kifejezve: A = lgt; T=I/I 0, ahol I 0 és I rendre a beeső és az átbocsátott fény intenzitása, T pedig a transzmittancia (többnyire %-ban adják meg). A Lambert Beer-törvénytől eltéréseket okozhat: a fényszóródás, kis fényfelbontó képesség, kémiai okok (túl tömény oldat, ph-hatás). Ellenőrző feladatok 1. Mi a törésmutató (vázlat, képlet, a betűk jelentése)? 2. Mire használható a törésmutató mérése? 3. Rajzolja fel egy abszorpciós fotométer elvi vázlatát, nevezze meg részeit! 4. Soroljon fel fotometriás detektorokat! 18 Műszeres analitika tanulói jegyzet II/14. évfolyam

20 5. Mi az előnye a diódasoros detektornak? 6. A spektrumban mi hordozza a minőségi információt és mi a mennyiségit? 7. Ismertesse a Lambert Beer-tövényt (képlet, a betűk jelentésével)! 8. Egy spektrofotométert használ két diák. Egyikük észreveszi, hogy transzmittancia üzemmódban van és javasolja, kapcsoljanak abszorbanciára. Átkapcsolnak és ugyanannyit jelez a műszer. Lehet, hogy elromlott, mondja egyikük. Lehet-e ugyanannyi a transzmittancia és az abszorbancia? Válaszát számítással igazolja! Az ebben a fejezetben tárgyalt ismereteket használjuk az Optikai mérési gyakorlatok 1. ciklus során, de a későbbiekben is. A tananyag bővebben megtalálható a szakirodalom-jegyzék 1. pontja alatti könyvben a oldalakon: Sőre, Tihanyi, Vámos (1999): Laboratóriumi gyakorlatok, Budapest: Képzőművészeti Kiadó. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

21 Optikai mérések gyakorlat 1. ciklus A témakör célja Mérések, gyakorlatok végzése: a refraktometriás, fotometriás, spektrofotometriás mérések köréből, hogy ismerje a műszerek működését és képes legyen használni azokat. Mérési adatok feldolgozása, eredmény értékelése. Az így szerzett tudás készíti fel: egy általános laboratóriumi mérés (vegyipari munkahelyen) végzésére, annak dokumentálására. Az első ciklus során 6 mérést kell elvégezni és egy elmaradt vagy rosszul sikerült mérés pótlására van mód. 20 Műszeres analitika tanulói jegyzet II/14. évfolyam

22 1. gyakorlat Üdítőital vagy szörp cukortartalmának meghatározása refraktometriás módszerrel Feladat A laboratóriumban üdítőitalok cukortartalmát ellenőrzik. Az Ön feladata, hogy refraktometriás módszerrel hasonlítsa össze és ellenőrizze különböző márkájú üdítők cukortartalmát. A munkájáról készült jegyzőkönyvben adja meg a mérési eredményei alapján az egyes minták cukortartalmát és ezt vesse össze a címkén feltüntetett cukortartalommal. Információs lap A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 3 óra (3 45 perc). A beadás határideje: legkésőbb a következő alkalom (általában a következő hét). Szükséges anyagok: cukor törzsoldat (500 g/dm 3 szacharóz), ioncserélt víz. Szükséges eszközök: büretták fogóval, állvánnyal, kb. 20 cm 3 -es kémcsövek dugóval, kémcsőállvány, refraktométer. A mérés elve: az üdítőital vagy szörp oldott anyag tartalma nagyrészt a cukorból adódik, a törésmutatót az határozza meg. Vizsgálandó minta: személyenként egy tiszta, száraz, névvel ellátott kb. 20 cm 3 -es kémcsövet adjon be, a visszakapott kémcső tartalmát homogenizálja. A vizsgálat menete 1. Öttagú kalibrálóoldat-sorozatot kell készíteni. Egy-egy kb. 20 cm 3 -es tiszta, száraz kémcsőbe 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; illetve 5,0 cm 3 törzsoldatot mérjen bürettából. A kémcsövek tartalmát ioncserélt vízzel 10,0 cm 3 -re egészítse ki, ledugaszolva homogenizálja! 2. a refraktométert szükség esetén tisztítsa meg, a kezelési útmutató alapján állítsa be, az ioncserélt víz törésmutatóját mérje meg! 3. az oldatsorozat tagjainak és az ismeretlen(ek)nek a törésmutatóját mérje meg, a mérési adatokat táblázatba (összetétel, törésmutató) jegyezze fel! 4. A készüléket tisztítsa meg, és a többi eszközt is tisztán tegye el! Számítások A mérési adataiból készítsen kalibrációs diagramot, vízszintesen a koncentrációk g/l-ben (kiszámítandók!), függőlegesen a törésmutatók (skálabeosztás!) legyenek! Kézi egyenes illesztés esetén (mm-papír), a leolvasás grafikusan történik. Ha számítógépes programmal (pl. MS Excel) végzi, elsőfokú (egyenes) trendvonalat illesszen, írassa ki az egyenletet és az R 2 értékét is! Ebben az esetben az eredményt az egyenes egyenletéből számítsa (vagy a programmal számíttassa) ki! A mérés dokumentálása a jegyzőkönyv tartalmazza: a mérés elvét, vázlatos leírását; a szükséges anyagokat az R- és S-mondatokkal; a szükséges eszközöket, műszert; a mérési beállításokat és adatokat; a számításokat (pontosság, áttekinthetőség); az eredményeket táblázatosan, a mérés pontosságának megfelelően kerekítve. Minta megnevezése Minta megnevezése 1. A minta elemzés szerinti cukortartalma Az üdítő címkéjén feltüntetett cukortartalom Eltérés %-a 2. A diagramot mellékelje a jegyzőkönyvhöz. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

23 Megjegyzés: A munka során használt anyagok nem mérgezőek, de nagyon ragadósak, ügyeljen a tiszta munkakörnyezetre! Értékelési szempontok: az eredmény helyessége (pontosság, kerekítés, mértékegység) 60%; a munkavégzés szakszerűsége, biztonsága 10%; a jegyzőkönyv tartalma, áttekinthetősége 10%; a kiértékelés minősége 10%; határidőre való beadás 10%. A házi feladat teljesítése javíthat az érdemjegyen (10%). Az üdítőital vagy szörp cukortartalma fontos adat, az energiatartalom nagy részét ez adja, cukorbetegek számára is fontos információ. A termékek cukortartalmát refraktometriásan szokták meghatározni, erre utal a refr.%. Házi feladat: üdítős és szörpös palackokon keressen adatokat üdítők, illetve szörpök öszszetételére, cukortartalmára vonatkozóan, a címkéket tegye el, hozza be az iskolába! 22 Műszeres analitika tanulói jegyzet II/14. évfolyam

24 2. gyakorlat Színezékoldat koncentrációjának meghatározása spektrofotometriás módszerrel Feladat A laboratóriumban textilipari színezékfürdők színezéktartalmát ellenőrzik. Az Ön feladata, hogy spektrofotometriás módszerrel ellenőrizze, illetve mérje meg különböző színezékfürdők színezéktartalmát. A munkájáról készült jegyzőkönyvben adja meg a mérési eredményei alapján az egyes minták színezéktartalmát és ezt vesse össze az előírás szerinti színezéktartalommal. Információs lap A gyakorlat elvégzésére rendelkezésére álló idő: 3 óra (3 45 perc). A beadás határideje: legkésőbb a következő alkalom (általában a következő hét). Szükséges anyagok: színezék, ioncserélt víz. Szükséges eszközök: gyorsmérleg, 100 és 250 cm 3 -es mérőlombikok, kis tölcsér, büretta, fogóval, állvánnyal, üveg vagy műanyag küvetta, spektrofotométer. A mérés elve: a színezék látható (VIS) tartományban található elnyelési maximumán az oldat abszorbanciája arányos a színezéktartalommal. Vizsgálandó minta: egy névvel ellátott 100 cm 3 -es mérőlombikot adjon be (a bürettába töltött színezék törzsoldattal együtt), a visszakapott lombik tartalmát ioncserélt vízzel állítsa jelre, homogenizálja! A vizsgálat menete 1. A színezékből készítsen 250 cm 3 törzsoldatot (0,4 g/dm 3 színezék)! 2. Öttagú oldatsorozatot készítsen: 2, 4, 6, 8, illetve 10 cm 3 törzsoldatot mérjen bürettából egy-egy 100 cm 3 -es mérőlombikba! A lombikokat ioncserélt vízzel töltse jelig, homogenizálja! 3. a spektrofotométert kapcsolja be, bemelegedés után a kezelési útmutató segítségével végezze el a mérést! 4. a küvettába ioncserélt vizet töltve vegyen fel alapvonalat! 5. a legtöményebb oldattal átöblítve, majd megtöltve a küvettát vegye fel a színezék oldat elnyelési spektrumát látható tartományban 400 és 750 nm között! 6. Keresse meg az elnyelési maximumot a spektrumban, a hullámhosszat jegyezze fel! 7. az oldatsorozat tagjainak és az ismeretlen(ek)nek az abszorbanciáját az elnyelési maximum hullámhosszán mérje meg, a mérési adatokat jegyezze fel vagy nyomtassa ki! 8. A készüléket tisztítsa meg, és a többi eszközt is tisztán tegye el! Számítások A mérési adataiból készítsen kalibrációs diagramot, vízszintesen a koncentrációk g/dm 3 -ben (kiszámítandók!), függőlegesen az abszorbanciák legyenek! Kézi egyenes illesztés esetén (mm-papír), a leolvasás grafikusan történik. Ha számítógépes programmal (pl. MS Excel) végzi, elsőfokú (egyenes) trendvonalat illesszen, írassa ki az egyenletet és az R 2 értékét is! Ebben az esetben az eredményt az egyenes egyenletéből számítsa (vagy a programmal számíttassa) ki! Az eredményt (g/dm 3 ) számítsa át az eredeti, hígítás előtti térfogatra, és a tanultaknak megfelelő kerekítse! PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

25 A mérés dokumentálása a jegyzőkönyv tartalmazza: a mérés elvét, vázlatos leírását, a szükséges anyagokat az R- és S-mondatokkal, a szükséges eszközöket, műszert, a mérési beállításokat és adatokat, a számításokat (pontosság, áttekinthetőség), az eredményeket táblázatosan, a mérés pontosságának megfelelően kerekítve. Minta megnevezése Minta megnevezése 1. A minta elemzés szerinti színezék tartalma, g/l Az előírás szerinti színezéktartalom, g/l Eltérés %-a 2. A diagramot mellékelje a jegyzőkönyvhöz! Megjegyzés: a színezékek között lehetnek mérgezőek, egyéni védőeszköz használata (gumikesztyű) kötelező. Értékelési szempontok az eredmény helyessége (pontosság, kerekítés, mértékegység) 60%; a munkavégzés szakszerűsége, biztonsága 10%; a jegyzőkönyv tartalma, áttekinthetősége 10%; a kiértékelés minősége 10%; határidőre való beadás 10%. A házi feladat teljesítése javíthat az érdemjegyen (10%). Különböző (pl. textil) festési eljárások során vízoldható színezék(ek)et alkalmaznak. Az oldat hatóanyag tartalma a használat során csökken. A megfelelő festési eredmény eléréséhez az oldat színezéktartalmát be kell állítani, ezért szükséges a koncentráció meghatározása. Házi feladat: az interneten keresse meg néhány színezék abszorpciós spektrumát, a képet mentse el, az URL címet jegyezze fel! 24 Műszeres analitika tanulói jegyzet II/14. évfolyam