Chemia analityczna. Podejście praktyczne

Dane oryginału:

Analytical Chemistry: A Practical Approach

first edition

© E. Hywel Evans and Mike E. Foulkes 2019

Analytical Chemistry: A Practical Approach was originally published in English in 2019. This translation is published by arrangement with Oxford University Press. Wydawnictwo Naukowe PWN is solely responsible for this translation from the original work and Oxford University Press shall have no liability for any errors, omissions or inaccuracies or ambiguities in such translation or for any losses caused by reliance thereon.

ZESPÓŁ TŁUMACZY

Bogusław Buszewski

Aneta Krakowska-Sierpawska

Anna Król

Paweł Pomastowski

Katarzyna Rafińska

Agnieszka Rogowska

Justyna Walczak-Skierska

Projekt okładki i stron tytułowych Lidia Michalak

Ilustracja na okładce Shutterstock/ Elymas

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Redakcja Ewa Czarnecka-Żołek

Produkcja Mariola Grzywacka

Copyright © for a Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2020

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec / Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

ISBN 978-83-01-21077-9

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020 r., (wyd. I)

Warszawa 2020

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Przedmowa

O książce

O zasobach online

Podziękowanie

Wykaz skrótów

1. Podejście analityczne – definiowanie problemu

1.1. Wprowadzenie

1.2. Sześć kroków do uzyskania rozwiązania

1.2.1. Krok pierwszy – zdefiniowanie problemu

1.2.2. Krok drugi – pobieranie próbki

1.2.3. Krok trzeci – przygotowanie próbki

1.2.4. Krok czwarty – pomiary

1.2.5. Krok piąty – ewaluacja

1.2.6. Informacja analityczna

1.3. Pytania, pytania, pytania!

Uwagi do ćwiczeń i problemów

2. Pobieranie próbek

2.1. Wprowadzenie

2.2. Plan pobierania próbek

2.3. Miejsce pobierania próbek

2.3.1. Losowe lub selektywne pobieranie próbek?

2.3.2. Pobieranie próbek złożonych

2.3.3. Selektywne pobieranie próbek

2.3.4. Warstwowe pobieranie próbek

2.4. Częstotliwość pobierania próbek

2.5. Metodologia pobierania próbek

2.5.1. Pobieranie próbek stałych

2.5.2. Pobieranie próbek ciekłych

2.5.3. Pobieranie próbek gazowych

2.6. Zabezpieczenie próbek

Uwagi do ćwiczeń i problemów

3. Przygotowanie próbki

3.1. Wprowadzenie

3.2. Czynniki brane pod uwagę przed przygotowaniem próbki

3.3. Próbki stałe

3.3.1. Suszenie

3.3.2. Redukcja wielkości

3.3.2.1. Zanieczyszczenie

3.3.2.2. Przesianie

3.3.3. Rozpuszczanie

3.3.3.1. Proste rozpuszczanie rozpuszczalnikiem

3.3.3.2. Suche spopielanie

3.3.3.3. Mineralizacja

3.4. Próbki ciekłe

3.4.1. Stabilizacja próbki

3.4.2. Mineralizacja cieczy

3.4.3. Suszenie

3.5. Próbki gazowe

3.6. Separacja i ekstrakcja

3.6.1. Techniki rozdzielania

3.6.1.1. Filtracja

3.6.1.2. Wirowanie

3.6.2. Wstępne zatężanie

3.6.2.1. Ekstrakcja rozpuszczalnikiem

3.6.2.2. Ekstrakcja do fazy stałej

Rozwiązania ćwiczeń i problemów

4. Instrumentalne techniki pomiarowe

4.1. Wprowadzenie

4.2. Jakie są etapy pomiaru?

4.3. Podstawowa klasyfikacja technik analitycznych

4.3.1. Techniki chemiczne

4.3.2. Techniki biochemiczne

4.3.3. Techniki elektrochemiczne

4.3.4. Techniki termiczne

4.3.5. Techniki spektroskopowe (elektromagnetyczne) molekularne

4.3.6. Spektroskopia (elektromagnetyczna) atomowa

4.3.7. Spektroskopia (elektromagnetyczna) strukturalna

4.3.8. Spektrometria (mas)

4.3.9. Spektroskopia (magnetyczna)

4.3.10. Technika elementarna

4.3.11. Rozdzielanie

4.4. Szczegółowe opisy wybranych technik

4.4.1. Spektrometria atomowa

4.4.1.1. Absorpcyjna spektrometria atomowa z atomizacją w płomieniu (FAAS)

4.4.1.2. Emisyjna spektroskopia atomowa z indukcyjnie sprzężoną plazmą (ICP-AES)

4.4.2. Spektroskopia molekularna

4.4.2.1. Spektroskopia UV-vis

4.4.2.2. Spektrometria fluorescencyjna

4.4.3. Chromatografia

4.4.3.1. Chromatografia gazowa (GC)

4.4.3.2. Wysokosprawna chromatografia cieczowa

4.5. Klasyfikacja technik analitycznych

4.6. Wybór właściwej techniki

4.6.1. Zakres roboczy

4.6.2. Selektywność

Odpowiedzi do ćwiczeń i problemów

5. Kalibracja i analiza ilościowa

5.1. Wprowadzenie

5.2. Analiza jakościowa czy ilościowa?

5.3. Jednostki

5.4. Kalibracja przyrządu

5.4.1. Przygotowanie roztworów roboczych

5.4.2. Przygotowanie krzywej kalibracyjnej

5.4.2.1. Regresja liniowa

5.4.3. Dodatek wzorca

5.5. Analiza ilościowa

5.5.1. Korzystanie z kalibracji

5.6. Źródła błędu

5.6.1. Pobieranie i przygotowanie próbki

5.6.1.1. Homogeniczność próbki

5.6.1.2. Zanieczyszczenia i straty

5.6.1.3. Niestabilność chemiczna

5.6.2. Błędy instrumentalne

5.6.2.1. Zakłócenia niespektroskopowe

5.6.2.2. Zakłócenia spektroskopowe

Uwagi do ćwiczeń i problemów

6. Materiały odniesienia i normy

6.1. Czym są materiały odniesienia?

6.2. Spójność pomiarowa (identyfikowalność)

6.3. Zastosowanie materiałów odniesienia

6.3.1. Dostępność materiałów odniesienia

6.3.2. Wybór materiałów odniesienia

Uwagi do ćwiczeń i problemów

7. Podstawy statystyki

7.1. Wprowadzenie

7.2. Wizualizacja danych

7.2.1. Wykres blob

7.2.2. Histogram

7.2.3. Wykres pudełkowy (ramka-wąsy)

7.3. Obliczenia statystyczne

7.3.1. Populacja i próba

7.3.2. Średnia

7.3.3. Wariancja

7.3.4. Odchylenie standardowe

7.3.5. Względne odchylenie standardowe

7.3.6. Błąd standardowy średniej

7.3.7. Stopnie swobody

7.4. Testy statystyczne

7.4.1. t-Test

7.4.2. F-test

Uwagi do ćwiczeń i problemów

8. Błąd pobierania próbek

8.1. Wprowadzenie

8.2. Co to jest błąd pobierania próbek?

8.2.1. Wielkość błędu

8.3. Pobieranie próbek dla określonego poziomu precyzji

8.3.1. Jaka wielkość próbki?

8.3.2. Ile próbek?

Uwagi do ćwiczeń

9. Walidacja metody i zapewnienie jakości

9.1. Wprowadzenie

9.2. Charakterystyka jakości (spójności)

9.2.1. Granica wykrywalności

9.2.2. Poprawność

9.2.3. Współczynnik odzysku

9.2.4. Zakres liniowy

9.2.5. Precyzja

9.2.6. Selektywność

9.2.7. Elastyczność, wytrzymałość, odporność

9.3. Zarządzanie jakością

9.3.1. Zapewnienie jakości

9.3.1.1. Standardowa procedura operacyjna

9.3.1.2. Zapisy laboratoryjne

9.3.1.3. Przykładowy rejestr

9.3.1.4. Arkusz testowy

9.3.1.5. Archiwum

9.3.1.6. Harmonogram kalibracji

9.3.2. Kontrola jakości

9.3.2.1. Wzbogacone próbki

9.3.2.2. Karta Shewharta

9.3.2.3. Wykres przedziałów ruchomych

Uwagi do ćwiczeń i problemów

Dodatek A

Słownik

Przypisy

Przedmowa

Chemia analityczna. Praktyczne podejście nie próbuje być kompleksową rozprawą na temat chemii analitycznej. Jest to podręcznik dla początkujących lub praktykujących chemików analityków. Nie przedstawialiśmy teorii ani szczegółowych opisów oprzyrządowania, a zamiast tego skupiliśmy się na wykorzystaniu chemii analitycznej do rozwiązywania problemów analitycznych. Osiąga się to poprzez przyjęcie podejścia opartego na problemach, z liberalnym wykorzystaniem sprawdzonych przykładów, ćwiczeń dla studentów i bardziej zaawansowanych zagadnień. W ten sposób mamy nadzieję, że uczeń może od razu zastosować zdobytą wiedzę do podobnych problemów, które musi rozwiązywać w czasie nauki lub w pracy.

O książce

Chemia analityczna. Podejście praktyczne – w każdym rozdziale umieszczono trzy praktyczne elementy, które mają pomóc w lepszym zrozumieniu tematu i zastosowaniu tego, czego się właśnie nauczyłeś. Wyjaśniamy, jak z nich korzystać.

Przykłady

W licznych przykładach dostarczano szczegółowych ilustracji do rozdziału, pokazując, jak omawiane zagadnienia wyglądają w praktyce.

Ćwiczenia

Dzięki ćwiczeniom możesz sprawdzić, zrozumieć i zastosować to, czego się właśnie nauczyłeś. Uwagi do ćwiczeń znajdują się na końcu każdego rozdziału.

Problemy

Na końcu każdego z rozdziału umieszczono problemy. Są to dodatkowe ćwiczenia i rozszerzenia scenariuszy, które można użyć do sprawdzenia toku rozumowania, zastosować to, co zostało omówione w danym rozdziale i rozwinąć swoje umiejętności w rozwiązywaniu problemów. Uwagi do problemów znajdują się na końcu każdego rozdziału.

W celu uniknięcia pośrednich błędów zaokrąglania, by jednocześnie śledzić wartości i dostrzec błędy numeryczne, podajemy wyniki pośrednie jako n,nnn... i zwykle zaokrąglamy obliczenia tylko na ostatnim etapie.

O zasobach online

Materiały online, które towarzyszą tej książce, dostarczają wielu przydatnych do nauki informacji i są bezpłatne.

Zasoby można uzyskać pod adresem:

www.oup.com/uk/evans_foulkes/

Należy pamiętać, że zasoby dla wykładowców są dostępne tylko dla zarejestrowanych użytkowników podręcznika. Aby się zarejestrować, wystarczy odwiedzić stronę www.oup.com/uk/evans_foulkes/ i skorzystać z odpowiednich linków.

Materiały dla studentów są dostępne dla wszystkich, bez rejestracji.

Dla studentów

Dodatkowe problemy i odpowiedzi

Dodatkowe problemy dają dalszą możliwość zastosowania tego, czego się nauczyłeś. Odpowiedzi są udzielane, abyś mógł sprawdzić swój tok rozumowania.

Dla zarejestrowanych użytkowników książki

Ryciny i tabele z książki

Wykładowcy mogą znaleźć rysunki oraz tabele z książki online w gotowym formacie do pobrania. Mogą być one wykorzystywane do wykładów bez opłat (ale nie do celów komercyjnych bez specjalnego pozwolenia).

Podziękowanie

Opracowanie podręcznika nigdy nie jest wyłącznym dziełem autorów. Na jego zawartość mają wpływ różne osoby i czynniki. Części podręcznika są przepisywane lub usuwane, po przetestowaniu ich na wykładach i krótkich kursach. Ćwiczenia i problemy były przerabiane przez studentów studiów licencjackich w ciągu wielu lat, a przede wszystkim wynikają z godzin spędzonych w laboratorium, gdy nie zawsze udało się osiągnąć właściwy wynik. Na uczelni jest zbyt wielu ludzi, aby podziękować im indywidualnie, ale należy wspomnieć o kolegach i studentach z Uniwersytetu Plymouth, bez których nie napisano by tej książki.

Wykaz skrótów

1. Podejście analityczne – definiowanie problemu

Wiedza i umiejętności

Po przeczytaniu tego rozdziału, zapoznaniu się z ćwiczeniami i problemami oraz przejrzeniu uwag, powinieneś być w stanie:

1 1. zrozumieć sześć kroków prowadzących do rozwiązania problemu analitycznego,

2 2. zdefiniować, czym jest problem analityczny,

3 3. opracować zarys strategii rozwiązania problemu, która może zostać zastosowana w chemii analitycznej.

1.1. Wprowadzenie

Prawdopodobnie wszystkim nam znane są dramatyczne wersje kryminalnych historii pokazywanych w telewizji, z laboratoriami zajmującymi się rozwiązywaniem problemów w ich tle. W historiach tych istnieje pozornie łatwy przepływ informacji pochodzący zarówno ze śladów pozostawionych na miejscu zdarzeń, jak i z dowodów rzeczowych. W szkole lub na uniwersytecie, gdzie kurs chemii wymaga od studenta przeprowadzenia analizy danego materiału, zwykle odbywa się to w kontrolowanych warunkach i gdy problem jest dobrze zdefiniowany, a procedury jasno określone. Dość często ma to na celu zademonstrowanie konkretnej techniki analitycznej lub wskazanie na dany aspekt chemii. W prawdziwym życiu taki stan rzeczy, jeśli w ogóle, spotykany jest niezwykle rzadko, a każdy etap rozwiązywania problemu analitycznego wymaga zadania szeregu właściwych i dobrze przemyślanych pytań. Mimo że w dzisiejszych czasach chemicy analitycy coraz częściej są zaangażowani w prace przemysłowe, środowiskowe, kliniczne i inne, to rozwiązanie każdego z tych problemów wciąż zaczyna się i polega na zadawaniu sobie właściwych pytań w trakcie trwania całego procesu analitycznego.

Analityk często musi sformułować rozwiązanie problemu, które pochodzi z zadanych wcześniej dwóch lub więcej pozornie różnych, ale powiązanych ze sobą pytań. Rozważmy następujące pytanie: Czy próbka wody z odwiertu, pobrana z mojej działki, jest zdatna do picia? A teraz porównajmy je z następnym pytaniem: Czy poziom azotanów w pobranej przezze mnie próbce wody gruntowej jest powyżej maksymalnego zalecanego stężenia azotanów w wodzie pitnej według przyjętych norm? Drugie pytanie odnosi się do pierwszego, ale jest zdecydowanie bardziej złożone. Analizując oba pytana, można śmiało stwierdzić, że podejście przyjęte w celu udzielenia odpowiedzi na oba z nich i zapewnienia rozwiązania problemu analitycznego w każdym przypadku będzie zawierało się w podobnych ramach.

Ramy te, lub inaczej podejście analityczne¹, to logiczna seria kroków, które należy wykonać w celu odpowiedzi na pytania, takie jak: Ile antymonu jest w wodach mineralnych zawartych w plastikowych butelkach?, Czy poziom dwutlenku siarki emitowanego z elektrowni zasilanej gazem przekracza ustalone limity?, a nawet, jak już wcześniej wspomniano Czy ta próbka wody nadaje się do picia? Podczas gdy nacisk na każdy z tych kroków różni się w zależności od dostępnych źródeł literaturowych, ogólne ramy można przedstawić jako sześć kroków lub etapów.