Oznaczanie stężeń roztworów należy do zadań analizy ilościowej, której metody można podzielić na klasyczne (chemiczne) oraz instrumentalne (fizyczne i fizykochemiczne).

Osobny artykuł: Roztwory – charakterystyka postaci leku

Oznaczanie stężeń roztworów – klasyczna analiza ilościowa

Analiza klasyczna (chemiczna analiza ilościowa) wykorzystuje metody oparte na pomiarze masy (wagowe) lub objętości (miareczkowe). Metodą  opartą  na pomiarze masy jest analiza wagowa, czyli pomiar masy substancji wydzielonej z roztworu w postaci trudno rozpuszczalnego osadu. Stężenie składnika oblicza się na podstawie masy osadu i znajomości jego składu.

Osady wytrącane w analizie wagowej powinny być trudno rozpuszczalne, czyste, grubokrystaliczne, o ścisłym składzie chemicznym i dużej masie molowej po wysuszeniu lub wyprażeniu.

Optymalne warunki do strącania osadów w analizie wagowej to:

• dostatecznie rozcieńczony roztwór, z którego strąca się osad,
• powolne dodawanie (kroplami) odczynnika strącającego,
• strącanie z gorącego roztworu badanego przy użyciu gorącego roztworu odczynnika,
• mieszanie podczas strącania,
• wprowadzanie odczynnika strącającego we właściwym nadmiarze,
• starzenie krystalicznych osadów przed ich sączeniem.

Do metod wagowych zaliczamy również analizę elektrograwimetryczną, czyli pomiar przyrostu masy wydzielonego elektrolitycznie osadu metalu na elektrodzie i obliczenie na tej podstawie zawartości tego metalu w próbce oraz niektóre metody analizy gazowej, które badają przyrost masy adsorbentu w wyniku absorpcji wydzielonego podczas analizy produktu gazowego.

Metody oparte na pomiarze objętości to metody miareczkowe, które wykorzystują pomiar objętości roztworu o znanym stężeniu zużytego do przeprowadzenia określonej reakcji chemicznej.

Podział analizy miareczkowej według typu zachodzącej reakcji:

1. alkacymetria – opiera się na reakcjach zobojętnienia tzn. miareczkowaniu kwasu mianowanym roztworem zasady (alkalimetria) lub miareczkowaniu zasady mianowanym roztworem kwasu (acydymetria),
2. redoksymetria – wykorzystuje reakcje utleniania-redukcji zachodzące podczas miareczkowania,
3. precypitometria – oparta na wytrącaniu osadów trudno rozpuszczalnych związków,
4. kompleksometria – polega na reakcjach oznaczanego jonu z odczynnikiem o właściwościach kompleksujących i powstawaniu związku kompleksowego.

Reakcje stosowane w analizie miareczkowej muszą spełniać pewne warunki:

• powinny zachodzić szybko już po dodaniu małej ilości odczynnika miareczkującego,
• muszą posiadać przebieg stechiometryczny, tzn. reagować ściśle według jednego równania reakcji,
• dają możliwość precyzyjnego zaobserwowania końca miareczkowania,
• inne substancje znajdujące się w roztworze nie mogą reagować z odczynnikiem użytym do miareczkowania.

W celu uzyskania dokładnego wyniku, szczególną uwagę należy zwrócić na precyzyjny pomiar objętości dodawanego titranta, staranne określenie jego objętości a także na uchwycenie momentu zmiany barwy roztworu.

Do metod opartych na pomiarze objętości zalicza się również metody gazometryczne, w których mierzy się objętość gazu wydzielonego lub pochłoniętego w określonej reakcji.

Zarówno metody wagowe, jak i miareczkowe cechuje duża dokładność oznaczenia. W przypadku wagowych błąd względny często jest mniejszy niż 0,1%, a w miareczkowych wynosi 0,1-0,2%. Metody wykorzystujące pomiar objętości są szybsze do przeprowadzenia niż oznaczenia wagowe.

Sprawdź także: Roztwory rzeczywiste a roztwory koloidalne

Instrumentalna analiza ilościowa

Analiza instrumentalna opiera się na pomiarze właściwości fizycznych lub fizykochemicznych układu, wymaga użycia specjalistycznych urządzeń (instrumentów). Można ją podzielić na:

1. Metody optyczne, które oparte są na sprężystych oddziaływaniach promieniowania elektromagnetycznego z badaną próbką, np.:

• nefelometria i turbidymetria – opierają się na rozproszeniu promieniowania,
• refraktometria – opiera się na załamaniu światła,
• polarymetria – wykorzystuje zdolność substancji optycznie czynnej do skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego.

2. Metody spektroskopowe, które opierają się na niesprężystych oddziaływaniach promieniowania elektromagnetycznego z badaną próbką. Możemy je podzielić na:

• techniki adsorpcyjne wykorzystujące zdolność niektórych substancji do pochłaniania światła (spektroskopia UV-VIS, spektroskopia w podczerwieni IR, spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego NMR, spektroskopia paramagnetycznego rezonansu elektronowego EPR, kolorymetria, atomowa spektroskopia absorpcyjna i absorpcja rentgenowska)
• techniki emisyjne, które badają widma emitowane przez badaną substancję po poddaniu jej działaniu konkretnego czynnika fizycznego oraz widma emitowane spontanicznie (fotometria płomieniowa, spektrografia emisyjna, fluorymetria, fluorescencja rentgenowska i atomowa)

3. Metody elektroanalityczne, które badają reakcje elektrodowe lub przepływ prądu przez elektrolity. Możemy je podzielić na:

• metody potencjometryczne, które oparte są na pomiarze różnicy potencjałów elektrochemicznych między elektrodami zanurzonymi w badanych roztworach (pehametria i miareczkowanie potencjometryczne),
• metody elektrolityczne oparte na ważeniu wydzielonego na elektrodzie oznaczanego składnika roztworu podczas przepływu prądu elektrycznego pomiędzy elektrodami w nim zanurzonymi (elektroliza i elektroliza wewnętrzna),
• metody kulometryczne, które wykorzystują zjawisko elektrolizy zachodzące w całej masie badanego roztworu (analiza kulometryczna bezpośrednia i pośrednia),
• metody oparte na pomiarze przewodnictwa lub pojemności elektrycznej (konduktometria),
• metody woltamperometryczne, które opierają się na pomiarze natężenia prądu elektrycznego (polarografia i woltamperometria).

5. Metody rozdzielcze, które oparte są na różnicy migracji rozdzielanych składników w ośrodkach, w których jedną fazę stanowi nieruchoma warstwa, a drugą strumień gazu lub cieczy (chromatografia, ekstrakcja, elektroforeza).
6. Metody radiometryczne mierzące promieniowanie jądrowe, które emitowane jest przez naturalne i sztuczne izotopy promieniotwórcze.

Zalety analizy instrumentalnej:

• wysoka czułość metod, przy jej pomocy można oznaczać już stężenia rzędu 10^-5%,
• szybkość wyznaczenia stężenia,
• pomiar jest obiektywny, ponieważ odczyt dokonywany jest za pomocą mierników elektrycznych,
• niski koszt oznaczenia dzięki automatyzacji i komputeryzacji.

Wady analizy instrumentalnej:

• konieczność kalibracji i przygotowywania wzorców,
• konieczność stosowania drogiej aparatury.

Często niesłusznie metody instrumentalne stawiane są nad klasycznymi. Metody chemiczne doskonale sprawdzą się w przypadku oznaczeń makroskładników, bo pozwalają uzyskać wynik o dużej precyzji. Natomiast metody instrumentalne znalazły zastosowanie do oznaczania ilości śladowych.

Można stwierdzić, że obie analizy są dla siebie uzupełnieniem. Ważne jest, by dobrać metodę odpowiednio do sytuacji, a wtedy na pewno uda się wyznaczyć stężenie roztworu z właściwą dokładnością.

mgr farm. Angelika Nowicka

Literatura:

1. Kocjan R., Chemia analityczna. Tom I, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2014.
2. Kocjan R., Chemia analityczna. Tom II, Wydawnictwo Lekarskie, PZWL, Warszawa 2014.
3. Minczewski J., Marczenko Z., Chemia analityczna. Tom II. Chemiczne metody analizy ilościowej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2019.