Organická analýza - Organická elementární analýza

12 ORGANICKÁ ELEMENTÁRNÍ ANALÝZA

12.1 Princip metod organické elementární analýzy

12.2 Stanovení celkového organického uhlíku (TOC) a forem uhlíku

• 12.2.1 Základní pojmy a rozdělení metod
• 12.2.2 Stanovení TOC suchým spalováním
• 12.2.3 Stanovení TOC oxidační mineralizací s UV zářením
• 12.2.4 Stanovení forem uhlíku postupným termickým rozkladem

12.3 Stanovení organického dusíku

• 12.3.1 Stanovení dusíku podle Dumase
• 12.3.2 Stanovení dusíku podle Kjeldahla
• 12.3.3 Stanovení vázaného dusíku (TNb)
• 12.3.4 Další metody stanovení dusíku

12.4 Stanovení fosforu

12.5 Stanovení síry

12.6 Stanovení halogenů

• 12.6.1 Základní pojmy a rozdělení metod
• 12.6.2 Analyzátor organicky vázaných halogenů

Kniha obsahuje přehled metod analýzy organických látek: Analytikům prohloubí jejich znalosti používaných metod a vedoucím pracovníkům poskytne podklady pro řešení úkolů jejich laboratoře. Je určena také pro studenty a vyučující univerzit a vědecké pracovníky.

💡 Kompletní obsah naleznete v odborné publikaci Organická analýza, kterou můžete zakoupit přímo u vydavatele 2 THETA, prostřednictvím LabRulez nebo v mnoha knihkupectvích.

Organická elementární analýza

Stanovení obsahu jednotlivých prvků nebo jejich skupin (halogeny) v organických látkách je významnou částí organické analýzy. Dřívější použití organické elementární analýzy jako významného kroku při identifikaci organických sloučenin je v současné době nahrazováno hmotnostní spektrometrií, chromatografickými, elektroseparačními a spektrálními metodami a jejich kombinacemi. Elementární analýza v kombinaci s vhodnou instrumentací (automatické analyzátory, mikrovlnné mineralizátory) nabývá na významu při sledování složek životního prostředí (vody, půdy, sedimenty) a vlivu člověka na něj (odpadní vody, pevné odpady, bioodpad, kaly,...). Obsah řady prvků v přírodních vzorcích a odpadech je sledovaným parametrem. U výrobků nebo surovin slouží organická elementární analýza ke stanovení některých jakostních ukazatelů (potraviny, krmiva, suroviny).

Stanovení TOC poskytuje informaci o obsahu organických látek ve vzorku. V současnosti často nahrazuje (nebodoplňuje) metody, které hodnotily obsah organických látek podle spotřeby kyslíku (oxidovatelnosti) – Kubelova metoda (CHSKMn), chemická spotřeba kyslíku dichromanem (CHSKCr), oxidovatelný uhlík (Cox), nebo z úbytku hmotnosti při spalování (ztráta žíháním). Výhodou proti výše uvedeným metodám je rychlost analýzy při využití automatických analyzátorů s autosamplerem. Nevýhodou je vyšší investiční náročnost. Metoda se ¨používá pro stanovení TOC ve vodách (pitné, koupací, povrchové, odpadní a technologické), v půdách, sedimentech, kalech a pevných odpadech. Pro výběr vhodné metody je rozhodující složení matrice.

Základní pojmy a rozdělení metod

• TC – celkový uhlík: všechny formy uhlíku (organický, anorganický a elementární).
• TIC– celkový anorganický uhlík: uhlík elementární a všech forem CO₂. uhlík, který se v kyselém prostředí uvolňuje jako CO₂ (označovaný i jako IC). TOC – celkový organický uhlík: uhlík vázaný v organických sloučeninách. uhlík, který se při spalování přemění na CO₂ a neuvolňuje se jako CO₂ v kyselém prostředí.
• NPOC (NVOC) – netěkavý organický uhlík: uhlík vázaný v netěkavých sloučeninách (za podmínek stanovení).
• POC (VOC) – těkavý organický uhlík: uhlík v těkavých sloučeninách (za podmínek stanovení).
• DOC – rozpuštěný organický uhlík: uhlík vázaný v organických sloučeninách rozpuštěných ve vodě.

Z různých definic TOC a TIC (převzatých z technických norem) je zřejmé, že rutinně používané metody a přístroje nejsou schopny rozlišit všechny formy anorganického uhlíku od organického uhlíku. Podle způsobu rozkladu se metody stanovení TOC dělí na suché spalování a oxidační mineralizaci s UV zářením. Druhá metoda se používá pouze pro vody.

Postupy stanovení jsou dva:

• Nepřímý postup: Hodnota TOC se získá jako rozdíl stanovení TC a TIC.
• Přímý postup: Ze vzorku se okyselením odstraní uhličitany a CO₂ po oxidaci udává přímo hodnotu TOC.

Stanovení TOC suchým spalováním

Vzorek se spálí v peci v proudu kyslíku nebo vzduchu (bez uhlovodíků a CO₂). Ze spalin se odstraní voda a halogenidy a obsah CO₂ se stanoví spektrometricky v infračervené oblasti (NDIR detektor). Metodu používá řada komerčních analyzátorů. Většina analyzátorů umožňuje kromě TC stanovit i formy uhlíku (TIC, NPOC, POC). To umožňuje volit přímý nebo nepřímý postup stanovení. Analyzátory lze vybavit podavačem vzorků, který umožní automatickou analýzu velkých sérií vzorků. Metoda je vhodná pro pevné i kapalné vzorky. Přímý postup (TOC = NPOC): Vzorek se před stanovením okyselí a uhličitanový uhlík se uvolní jako CO₂. Uvolněný CO₂ se před spálením vytěsní z kapalných vzorků proudem nosného plynu a z pevných vzorků odvětráním s mírným zahřátím. Postup nelze použít u vzorků, které obsahují těkavé organické sloučeniny. Přímý postup je vhodný pro stanovení TOC v matrici s převažujícím podílem uhličitanového uhlíku. Nepřímý postup: Ve vzorku se stanoví TC spálením (bez okyselení). TIC se stanoví po reakci vzorku s nadbytkem kyseliny. Uvolněný CO₂ se vytěsní proudem nosného plynu a převede na detektor. Postup není vhodný pro matrice, ve kterých převažuje uhličitanový uhlík. U pevných vzorků s dominantním obsahem uhličitanového uhlíku (např. vápenec) se používá stanovení TOC v suspenzi. Jemně rozemletý vzorek se suspenduje ve zředěné HCl, uvolněný CO₂ se vytěsní nosným plynem a TOC se stanoví přímým postupem. Stanovení rozpuštěného organického uhlíku (DOC) se týká pouze vzorků vody. Vzorek se před analýzou filtruje filtrem o předepsané velikosti pórů. Lze použít přímý i nepřímý postup stanovení. Metoda z principu neumožňuje rozlišit elementární uhlík, který je zahnut do TOC. Pro rozklad pevných vzorků se používá teplota pece až 1 500 °C, která umožňuje stanovení i velmi stabilních uhličitanů (BaCO₃) a karbidů (CaC₂).

Stanovení TOC oxidační mineralizací s UV zářením

Organický uhlík ve vodě se oxiduje na CO₂ zahřátím s oxidačním činidlem (např. Na₂S₂O₈) a působením UV záření (UV-C 185 a 254 nm). Uvolněný CO₂ se vytěsní nosným plynem (N₂, Ar) a stanoví spektrometricky v infračervené oblasti (NDIR detektor). Při stanovení TIC se vzorek okyselí a uvolněný CO₂ se nosným plynem převede do detektoru. Metoda se používá pro čisté vody bez nerozpuštěných látek a s nízkým obsahem uhlíku. Lze použít přímý i nepřímý postup stanovení. Výhodou metody je větší objem vzorku a tím podstatně nižší mez stanovitelnosti než u stanovení suchým spalováním.

Stanovení forem uhlíku postupným termickým rozkladem

Nemožnost rozlišení TOC a elementárního uhlíku metodou suchého spalování řeší (i když jen částečně) metoda stanovení forem uhlíku postupným termickým rozkladem.

Metoda používá 2 postupy:

a) spalování v kyslíkové atmosféře, b) kombinaci spalování v kyslíkové atmosféře a termický rozklad v inertní atmosféře. Metoda se používá pro pevné vzorky životního prostředí, pro odpady a suroviny. a) Spalování v kyslíkové atmosféře: Suchý vzorek se spaluje v proudu kyslíku při teplotách 150 – 400; 400 – 600 a 600 – 900 °C.

b) Kombinace spalování a rozkladu v inertní atmosféře: Suchý vzorek se spaluje v proudu kyslíku při teplotě 150 – 400 °C, potom se kyslík zamění za inertní plyn (N2, Ar) a v rozmezí teplot 400 – 900 °C probíhá termický rozklad, následně se nosný plyn zamění za kyslík a při 900 °C pokračuje spalování. CO₂ v nosném plynu se stanoví CO₂ detektorem (zpravidla NDIR) Tímto postupem se stanoví tři formy uhlíku.

• TOC₄₀₀ – uhlík, který je stanovený při spalování v rozmezí teplot 150 – 400 °C. (Cca TOC)

• ROC reziduální (zbytkový) organický uhlík – uhlík, který se stanoví při spalování mezi 400 – 600 °C - postup ad a) nebo po stanovení TIC při spalování při 900 °C – postup ad b). Za těchto podmínek se stanoví především elementární uhlík (TEC) a těžce spalitelné polykondenzované aromatické uhlovodíky (uhlí, saze,...).

• TIC₉₀₀ – uhlík, který se stanoví při spalování mezi 600 až 900°C - postup ad a) nebo termickým rozkladem mezi 400 - 900 °C – postup ad b)

Celkový uhlík (TC) se získá jako součet všech tří forem. Metoda termického rozkladu je náročnější na přístrojové vybavení a na čas. I u této metody se vyskytuji rušivé vlivy, které neumožňují 100% rozlišení jednotlivých forem uhlíku. Karbidy se nestanoví (např. karbid vápníku CaC₂ reaguje s kyslíkem až při teplotě kolem 1 200 °C). Řada uhličitanů se rozkládá při teplotách mimo rozmezí pro TIC. Při nižších teplotách zvyšují hodnotu TOC (např. MnCO₃, PbCO₃) a naopak při vyšších unikají stanovení (např. BaCO₃, SrCO₃).

Stanovení organického dusíku

Pro stanovení dusíku v organických látkách byla vyvinuta řada metod. Kromě stanovení organického nebo veškerého (bez elementárního) dusíku se tyto metody ve specifických matricích využívají ke stanovení dusíkatých sloučenin (stanovení organického dusíku se používá ke stanovení obsahu bílkovin v potravinářství a zemědělství). Většině metod se nedostalo širšího uplatnění a byly postupně opuštěny. Důvodem byla především pracnost, případně nízká univerzálnost metod. Pro volbu vhodné metody je potřebné alespoň orientačně znát složení matrice.

Nejrozšířenější jsou metody:

• Dumasova, která je nejuniverzálnější. Pro rozklad používá oxidaci vzorku na suché cestě (spalování).
• Kjedahlova, která má řadu modifikací. Pro mineralizaci používá rozklad na mokré cestě.
• Stanovení vázaného dusíku (TNb). Novější metoda, která stanoví dusík ve vzorku spálením a převedením na oxidy dusíku.

Stanovení dusíku podle Dumase

Univerzální metoda. Stanoví veškerý organický dusík bez ohledu na funkční skupiny, ve kterých je vázán, i dusík v anorganických sloučeninách (amoniakální, dusičnanový a dusitanový). Jistá nevýhoda postupu je, že zároveň stanoví i elementární dusík, který je vzhledem k atmosférickému dusíku (a jeho rozpustnosti ve vodě) téměř všudypřítomný. Metoda je vhodná pro pevné i kapalné vzorky.

Stanovení dusíku podle Kjeldahla

Vzorek se mineralizuje za varu v prostředí koncentrované kyseliny sírové za přítomnosti katalyzátorů a síranu draselného (lze použít i Na₂SO₄), který slouží ke zvýšení teploty rozkladu. Organicky vázaný dusík přejde na amonné ionty. Po skončení mineralizace se směs zalkalizuje a amoniak se přežene vodní parou (nebo předestiluje) do předlohy s okyselenou vodou. Vysoké koncentrace se stanoví acidimetricky, nízké fotometricky. Metoda je vhodná pro pevné i kapalné vzorky.

Stanovení vázaného dusíku (TNb)

Vzorek se spaluje v kyslíkové atmosféře za přítomnosti katalyzátoru (nejčastěji Pt). Dusík vázaný v organických a anorganických sloučeninách se převede na oxidy dusíku. Spaliny s nosným plynem se vyčistí od nežádoucích složek a převedou na detektor. Oxidy dusíku se stanoví elektrochemickým nebo chemiluminiscenčním detektorem. Metoda je vhodná pro vodné vzorky. Pro pevné vzorky (a kaly) se nepoužívá, protože výtěžnost metody je silně ovlivněna matricí vzorku. (Vázaný dusík v pevných matricích lze stanovit ve vodné suspenzi. Zde je matriční efekt pevné matrice potlačen vodou. Výtěžnost pro konkrétní matrici je nutné ověřit.) Metoda nestanoví kvantitativně některé sloučeniny dusíku (např. diaziny a triaziny).

Další metody stanovení dusíku

Stanovení dusíku oxidační mineralizací s peroxodisíranem

Vodný vzorek se zahřívá s peroxodisíranem v uzavřené nádobě v mírně alkalickém prostředí. Amoniak, dusitany a organicky vázaný dusík se oxidují na dusičnany. Metoda se používá pro vodné vzorky. Není vhodná pro vody s vysokým obsahem nerozpuštěných látek a organických látek. Organické sloučeniny s dvojnou nebo trojnou vazbou dusíku mají nízkou výtěžnost. Vzniklé dusičnany se stanoví přímo např. iontovou chromatografií s detekcí vodivostním nebo fotometrickým detektorem, nebo spektrofotometricky měřením absorbance v UV oblasti (při 210 nm). Nepřímo se stanoví po redukci na dusitany. K redukci dochází průchodem kolonou s poměděným kadmiem nebo redukcí hydrazinem. Dusitany se stanoví spektrofotometricky.

Stanovení celkového dusíku po rozkladu UV zářením.

Toto je varianta předchozí metody. Dusíkaté sloučeniny ve vodném vzorku se oxidují na dusičnany peroxodisíranem za zvýšené teploty a účinkem UV záření. Dusičnany se stanoví průtokovou injekční analýzou (FIA) nebo kontinuální průtokovou analýzou (CFA) spektrofotometricky po redukci na dusitany. Metoda není vhodná pro vody s obsahem nerozpuštěných látek a s vysokým obsahem organických látek.

Tyto dvě metody se používají k stanovení sumy organického a anorganického dusíku v automatických analyzátorech.

Stanovení fosforu

Při stanovení fosforu se veškerý fosfor převede do roztoku oxidací v kyselém prostředí na mokré cestě. Rozklad probíhá v otevřeném systému nebo jako mikrovlnný rozklad v uzavřeném systému za zvýšeného tlaku a teploty. Oxidační činidla a podmínky rozkladu se volí podle matrice. (Rozklad alkalickým tavením se pro vysokou pracnost běžně nepoužívá.) Rozpuštěný fosfor se stanoví metodou ICP, nebo se fosforečnany stanoví spektrofotometricky jako fosfomolybdenová modř (při 880 nm, anebo 700 nm, měření při 700 nm má asi o 1/3 nižší citlivost).

Stanovení síry

Pro stanovení síry se běžně používá, jak rozklad na mokré cestě, tak suchá cesta – spalování. Při rozkladu mokrou cestou se vzorek mineralizuje oxidačními činidly v kyselém prostředí. Síra se převede na sírany, které se stanoví (iontovou chromatografií, kapilární elektroforézou, metodou ICP-OES, převedením na nerozpustný BaSO₄ a jeho stanovení gravimetricky nebo turbidimetricky). Metoda se používá pro kapalné i pevné vzorky. Při spalování se vzorek spálí v proudu kyslíku a vzniklý oxid siřičitý se stanoví metodou NDIR nebo tepelně vodivostním detektorem. Tato metoda se používá pro stanovení tzv. spalitelné síry v automatických analyzátorech.

Stanovení halogenů

Skupinové parametry organicky vázaných halogenů patří dnes k velice sledovaným ukazatelům při analýze vzorků životního prostředí. Pro sledování těchto ukazatelů hovoří jednak neustále narůstající počet individuálních halogenovaných sloučenin, produkovaných průmyslem, zemědělstvím a ostatní lidskou činností, a také relativní jednoduchost a rychlost stanovení a velmi dobrá reprodukovatelnost celého jejich analytického stanovení.