Hvordan man udfører grundlæggende beregninger i analytisk kemi

Når man arbejder med analytisk kemi, er det vigtigt at forstå og korrekt anvende enheder og beregninger. Enhederne, som bruges til at beskrive kemiske stoffer og reaktioner, skal være konsistente og passende for den givne situation. Det er også vigtigt at anvende korrekt måleudstyr, som mikropipetter, når man forbereder opløsninger, da præcise målinger er fundamentale for nøjagtige resultater i laboratoriet.

Et centralt punkt i arbejdet med kemiske beregninger er, at hver enkelt numerisk værdi, der fremkommer, skal ledsages af en enhed. Mange studerende laver fejlen at skrive resultater ned uden at inkludere enhederne. Dette kan føre til alvorlige problemer, når man senere skal anvende resultaterne professionelt. For eksempel, hvis du står med en koncentration af en opløsning uden at vide, om det er mol/L, g/L eller en anden enhed, kan det være svært at sammenligne eller bruge resultaterne korrekt.

Når man arbejder med opløsninger, er det også afgørende at kunne identificere både opløsningsmidlet og soluttet. En løsning består altid af en opløst substans (solut) og et opløsningsmiddel. Dette skal tydeligt angives i alle beregninger, så der ikke opstår forvirring. For eksempel kan en koncentration udtrykkes som mol/L, men det er vigtigt at angive, hvilken substans der er tale om, som for eksempel n(NaOH) eller M(H2SO4).

Et andet væsentligt aspekt er at sikre, at de udførte beregninger giver mening i den kontekst, man arbejder i. Mange gange kan der være flere måder at løse et problem på, men det er vigtigt at vælge en metode, som man forstår og kan retfærdiggøre. Hvis den valgte metode giver korrekt resultat og er i overensstemmelse med de relevante koncepter, kan man fortsætte med den.

I denne sammenhæng kan et eksempel på en typisk opgave være beregningen af koncentrationen af en opløsning. For eksempel kan vi blive bedt om at udtrykke en bølgelængde, som falder inden for den synlige del af det elektromagnetiske spektrum, både i videnskabelig notation og passende enheder. Hvis vi ser på et interval fra 0,00000078 m til 0,00000038 m, vil den videnskabelige notation for dette være 7,8×10⁻⁷ m og 3,8×10⁻⁷ m. For at vælge de mest passende enheder, skal vi anvende den viden, vi har om måleenheder, og vælge en enhed, som er større end 1 og mindre end 1000. I dette tilfælde vil nanometer (nm) være en passende enhed, da 1 m = 10⁹ nm, og derfor kan vi konvertere til 780 nm og 380 nm.

Når vi står overfor opgaver som disse, er det vigtigt at anvende systematiske metoder for at sikre, at alle nødvendige beregninger bliver foretaget korrekt. For eksempel, når vi skal finde koncentrationen af et metalion som Cu²⁺ i en opløsning, skal vi tage højde for molekylvægten af den hydratiserede forbindelse, som bruges til at lave opløsningen. Ved at beregne den nødvendige mængde af CuSO₄·5H₂O og tage højde for den hydratiserede form, kan vi beregne molariteten for Cu²⁺ i opløsningen. Hvis vi starter med 1,25 g af CuSO₄·5H₂O og opløser det i 50,0 mL vand, skal vi først beregne den molare masse af CuSO₄·5H₂O, som er 249,5 g/mol. Ved at følge de nødvendige omregningsfaktorer får vi en koncentration af Cu²⁺ på 0,10 M.

Ved at anvende disse grundlæggende principper og metoder i analytisk kemi kan man udføre nøjagtige og pålidelige beregninger. Det er dog vigtigt at huske på, at disse beregninger ikke kun er matematiske øvelser, men også er fundamentale for at forstå og analysere kemiske systemer korrekt.

Hvordan man arbejder med koncentrationer og fortyndinger i analytisk kemi

Når man forbereder en fortyndet opløsning fra en koncentreret lageropløsning, anvendes den generelle formel:

Et typisk eksempel på dette kunne være at arbejde med en 4 % Na₂CO₃ opløsning, som skal fortyndes. En procentuel koncentration uden specifikation af enheden antages generelt at være massaprocent (m/m), hvilket betyder, at der er 4 g af Na₂CO₃ pr. 100 g opløsning. For at omregne dette til molaritet, skal vi først kende molarmassen af Na₂CO₃, som er 105,99 g/mol, og derefter bruge densiteten af opløsningen for at beregne volumenet. Hvis opløsningen er meget fortyndet og tæt på vandets densitet (1 g/cm³), kan beregningen gøres uden at kende den præcise densitet af opløsningen. Efter omregning kan det estimeres, at koncentrationen af Na₂CO₃ opløsningen er 0,38 M.

For at forberede en fortyndet opløsning på 150 mL af denne 0,38 M Na₂CO₃, anvendes formlen for fortynding:

Ved at sætte de kendte værdier ind (C₁ = 6 M, C₂ = 0,38 M og V₂ = 150 mL), kan man finde, at $V_1$ = 9,5 mL. Det betyder, at for at opnå en 0,38 M Na₂CO₃ opløsning skal der tages 9,5 mL af den koncentrerede opløsning og fortyndes til 150 mL med destilleret vand.

En udfordring kan opstå, når man arbejder med kommercielle opløsninger, som for eksempel en koncentreret HCl opløsning. Her kræves det, at man kender densitet og koncentration (f.eks. 37 %) for at beregne, hvilken mængde af den kommercielle opløsning, der skal bruges. Med en densitet på 1,37 g/mL og en koncentration på 37 % skal der tages præcis 0,72 mL af den kommercielle opløsning for at opnå 100 mL af en 0,10 M HCl opløsning.

Desuden er det ofte nødvendigt at forberede standardopløsninger ved at fortynde en lageropløsning. For eksempel, når man skal forberede en 100 mg/L natriumopløsning fra et natriumchlorid lagerstandard, skal der tages præcise mængder af natriumchlorid og opløses i deioniseret vand for at opnå den ønskede koncentration. Ved at bruge formlen $C_1 \cdot V_1 = C_2 \cdot V_2$ kan man beregne det nødvendige volumen af den koncentrerede opløsning.

For at mestre disse beregninger og forstå deres anvendelser i laboratoriet er det vigtigt at blive fortrolig med både enheder og omregningsfaktorer. Fejl kan let opstå, hvis man overser en enhed eller bruger en forkert formel. Derfor er det afgørende at kontrollere enheder og altid have en klar forståelse af de kemiske reaktioner, der finder sted.

Hvordan bestemme koncentrationen af metaller i prøver ved hjælp af standardtillægsmetoden

I mange analytiske kemiske procedurer er en præcis bestemmelse af koncentrationen af metaller i prøver en nødvendighed for at opnå pålidelige resultater. En effektiv metode til dette formål er standardtillægsmetoden, som bruges i forbindelse med forskellige teknikker som FAAS, ICP-AES og VGAAS. Denne metode er især nyttig, når man står overfor prøver med komplekse matrixer, hvor direkte kalibrering kan være problematisk.

I denne forbindelse kan vi tage udgangspunkt i et eksempel, hvor koncentrationen af jern i en sedimentprøve bestemmes. Først vejes et repræsentativt sedimentprøve (0,2537 g) i et Teflonbeholder, hvorefter der tilsættes en blanding af syrer (10 mL) og et program for mikroovnbehandling anvendes. Den resulterende syreopløsning filtreres og fortyndes til 50,00 mL med ultrapure vand. Derefter tages en prøve på 5,00 mL fra denne opløsning og spikes med jernstandarder i stigende koncentrationer, hvorefter det fortyndes til 25,00 mL.

Et vigtigt skridt i denne proces er at bruge en proceduralt blank for at korrigere for eventuelle baggrundsabsorberende signaler. I dette tilfælde blev signalet fra det procedurale blank mål til 0,008, og den efterfølgende kalibreringskurve blev justeret i henhold til dette blanksignal. Når dataene er korrigeret for baggrundsabsorption, kan vi opnå en kalibreringslinje, som viser en næsten lineær sammenhæng mellem koncentrationen af jern og absorbansen. Ved hjælp af den mindste kvadraters metode blev kalibreringslinjen bestemt som:

For at bestemme koncentrationen af jern i prøven anvendes denne linje til at interpolere værdien af jernkoncentrationen (CFe), som i dette tilfælde var 5,197 mg/L.

Efter at have taget højde for prøvebehandlingen og fortynding, er koncentrationen af jern i sedimentprøven beregnet til 5,121 mg/g sediment. For at udtrykke resultatet som en masseprocent beregnes jernets masseprocent i sedimentet ved at dividere den målte koncentration med sedimentets vægt:

For magnesiumbestemmelse i grøntsager benyttes ICP-AES og scandium som intern standard. I dette tilfælde blev en frysetørret spinatprøve behandlet med koncentreret salpetersyre og fortyndet til den ønskede volumen. Opløsninger af magnesiumstandarder blev derefter tilsat og fortyndet til at skabe en kalibreringskurve, der muliggør bestemmelsen af magnesiumkoncentrationen. Når kalibreringskurven blev opbygget, blev signalerne korrigeret for det procedurale blank, og de resulterende data blev brugt til at interpolere koncentrationen af magnesium i prøverne. Resultatet for magnesium i spinaten var 48,87 ± 9,76 mg/g med en RSD på 8,0 %.

I et andet eksempel, hvor selenium bestemmes i blodserum ved hjælp af VGAAS, kræves en mikrobølgebehandling af blodserumprøven med salpetersyre, og standardtillægget bruges til at bestemme koncentrationen af selenium i serum. Dataene blev behandlet på samme måde som i de tidligere eksempler, og kalibreringskurven blev anvendt til at interpolere seleniumkoncentrationen i prøven. Den målte koncentration af selenium i blodserummet var 0,41 µg/L, hvilket er tæt på den sande værdi på 0,40 µg/L, hvilket viser metodens pålidelighed.

Vigtige overvejelser ved brugen af standardtillægsmetoden er, at man altid skal tage højde for eventuelle baggrundssignaler ved at inkludere et proceduralt blank. Desuden skal korrekt kalibrering og fortynding være nøje kontrolleret for at undgå fejl i resultaterne. Når man arbejder med komplekse prøver, kan det være nødvendigt at justere metoden afhængigt af prøvens matrix og de specifikke metaller, der analyseres. Det er også afgørende at evaluere metoderne for deres præcision og nøjagtighed, da disse faktorer spiller en central rolle i at sikre pålidelige resultater.

Hvordan man beregner koncentrationen af tungmetaller i miljøprøver ved hjælp af analytiske teknikker

For at bestemme koncentrationen af tungmetaller som arsen, krom, vanadium og calcium i miljøprøver anvendes ofte avancerede analytiske teknikker som atomabsorptionsspektrometri (AAS) og induktivt koblet plasma-atomemission-spektrometri (ICP-AES). Disse teknikker er essentielle for at sikre præcise målinger, når man arbejder med forurenede vand-, jord- og luftprøver. I denne kontekst spiller metoder som standardtilsætning og kalibreringskurver en central rolle, når det gælder nøjagtighed og præcision i målingerne.

Når man arbejder med løsninger, hvor der er tilsat kendte koncentrationer af standarder, kan man udlede koncentrationen af det ønskede analytt via en lineær korrelation mellem de målte absorbansværdier og koncentrationerne af standarderne. Et typisk eksperiment kan omfatte tilføjelse af kendte mængder af et standardopløsningsmiddel, som derefter bruges til at opbygge en kalibreringskurve. Når kurven er oprettet, kan man anvende den til at beregne koncentrationen af analytten i den oprindelige prøve.

For eksempel, i et eksperiment med arsen i vandprøver, blev forskellige mængder af en standard opløsning tilsat og fortyndet til en specifik volumen, hvorefter absorbansen blev målt. De resulterende værdier blev brugt til at beregne koncentrationen af arsen i den oprindelige vandprøve. Beregningen viste en koncentration på (8.53 ± 1.14) mg/L med en relativ standardafvigelse (RSD) på 5.4 %. Dette betyder, at der er en høj grad af præcision i målingerne, hvilket er nødvendigt for at sikre nøjagtige resultater i miljøanalyse.

Et andet eksempel er bestemmelsen af krom i forurenet jord, hvor en prøve først blev behandlet kemisk i en mikrobølgeovn og derefter fortyndet. Efter at have tilføjet forskellige mængder kromstandarde, blev signalerne for absorbansen registreret. I dette tilfælde viste beregningerne en koncentration af krom i den forurenede jord på (19.72 ± 2.76) µg/g, hvilket gav en acceptabel nøjagtighed, da den eksperimentelle t-værdi var lavere end den tabulerede t-værdi. Det viser, at metoden er pålidelig og præcis til bestemmelse af kromkoncentrationer i jord.

En tredje metode involverer bestemmelsen af vanadium i atmosfæriske partikler, som blev indsamlet ved hjælp af højvolumen-samlere og glasfiberfiltre. Filtrene blev efterfølgende analyseret ved ICP-AES, hvor den relative signalintensitet blev målt i forhold til vanadiumkoncentrationen. Ved at bruge standardtilsætning kunne koncentrationen af vanadium i luftprøverne beregnes til at være mellem 33,38 ng/m³ og 43,12 ng/m³, afhængigt af prøven.

For at forstå disse metoder og deres anvendelser er det vigtigt at overveje nogle faktorer, der kan påvirke resultaterne. For eksempel er matrixeffekten et væsentligt aspekt, som kan påvirke nøjagtigheden af de opnåede målinger. Matrixen refererer til de andre stoffer, der er til stede i prøven, og som kan interagere med analytten og dermed påvirke signalet. I sådanne tilfælde anvendes standardtilsætning som en metode til at kompensere for matrixeffekter ved at tilsætte kendte mængder af analytten til prøven, hvilket giver mulighed for at korrigere for eventuelle interferenser.

Endvidere er det vigtigt at forstå betydningen af at bruge passende kalibreringsmetoder. I tilfælde, hvor matrixeffekter ikke er til stede eller er minimale, kan en simpel kalibreringskurve anvendes. Men hvis matrixen er kompleks, eller hvis der er betydelige interferenser, er standardtilsætningsmetoden ofte at foretrække, da den giver mulighed for at korrigere for sådanne interferenser og dermed sikre nøjagtige målinger.

Desuden bør læseren være opmærksom på, at nøjagtighed og præcision ikke kun afhænger af den anvendte teknik, men også af korrekt prøvetagning og behandling af prøverne før analysen. Forkert opbevaring, håndtering og forberedelse af prøverne kan alle føre til fejlagtige resultater. Derfor er det essentielt at følge standardiserede protokoller og sikre, at alle instrumenter er korrekt kalibrerede og vedligeholdte.