21. ZNAČENÉ SLOUČENINY Indikátorová metoda spočívá v umělých změnách izotopového složení prvku – Þ říkáme, že prvek je označen radioaktivním izotopem (metoda značených atomů) Vztah izotopového indikátoru a zkoumaného procesu: 1. Sledování chování určité chemické látky – pak musí být chemická forma této látky a indikátoru stejné · sledování biochemických dějů vyžaduje značení sloučeniny na určitých místech v molekul · radioaktivními izotopy (specifické značení) nebo jde o obecné radioaktivní označení sloučeniny aspoň jedním radioaktivním atomem (nespecifické značení) 2. Radioaktivní nuklid slouží k označení určité látky v obecném smyslu - sledování proudění kapaliny Podmínka nutná: dostatečná počáteční specifická aktivita značicí látky Izotopicky substituované sloučeniny (všechny molekuly jsou na určitém místě specificky značené) Př. 2-(^14C)-octová kyselina Izotopicky značené sloučeniny – směs normálních molekul s přirozeným izotopickým zastoupením a izotopicky substituovaných molekul (specificky značených) směs 2-[^14C]-octová kyselina + 2-[^12,13C]-octová kyselina Příklady preparativních postupů:  RMgBr + ^14CO[2] ® R-^14COOMgBr ® (hydrolýza) R-^14COOH Ø zavádění tritia je založeno především: o na adici ^3H[2] na dvojnou vazbu o pomocí redukujících tritidů LiAl^3H[4], NaB^3H[4] Ø značený chroman lze připravit ozařováním oxidu chromitého neutrony HCl OH^- ^50Cr[2]O[3](n,g)^ 51Cr[2]O[3 ]^51CrCl[3 ]^51CrO[4]^2- Další příklady značených sloučenin: Značení izotopickou výměnou Jde o přípravu značených sloučenin, kdy se mezi dvěma molekulami, z nichž je jedna značená, vyměňují dva izotopy téhož prvku (nejčastěji tritia) Provedení: kontakt sloučeniny s tritiovanou vodou Je nutné, aby vazba s vodíkem podléhala alespoň minimální disociaci. RO-^1H + ^3H^1HO RO-^3H + ^1H[2]O Biosyntetické metody Jednoduché značené látky se použijí k výživě rostlin nebo mikroorganismů a využije se jejich syntetických schopností ^14CO[2], ^3H[2]O, ^32PO[4]^3-, 35SO[4]^2- 22. Indikátory v chemii a biologii Ø Studium mechanismů chemických reakcí ClO[2]^- + HOCl ® Cl^- + HClO[3] (značení ^36Cl) Ø Studium metabolických přeměn Látka, jejíž metabolismus se zkoumá, se podá organismu ve značené podobě – pokud je předpokládaný metabolický produkt radioaktivní, pak je předpokládaný mechanismus metabolismu potvrzen. Ø Kombinace studia metabolických přeměn s autoradiografií Možné aplikace radioaktivních indikátorů - stanovení součinu rozpustnosti - rozpustnost kovů v roztavených solích - rozpustnost plynů v kapalinách - rozpustnost vody v org. rozpouštědlech o stanovení nízkých tenzí par málo těkavých látek o stanovení složení plynné a kapalné fáze při destilaci o stanovení velikosti povrchu sorbentu z množství adsorbovaného radioaktivního plynu o rozdělení látek (nejčastěji iontů kovů) mezi dvě nemísitelné kapaliny (kapalinová extrakce) nebo mezi roztok a ionex o vylučování kovů na elektrodách při elektrolýze o studium migrace částic v roztoku v elektrickém poli o sledování účinnosti praní tkanin pomocí značených povrchově aktivních komponent pracích prostředků 23. Indikátory v biologii Ø migrace drobnějších živočichů (mouchy, komáři) – larvy se nechávají líhnout v živném radioaktivním médiu – dospělí jedinci jsou pak radioaktivní Ø migrace větších živočichů (netopýři nesou pouzdra s nuklidem – lze je pak zjistit i přes skálu nebo ve škvírách) Ø studium přenosu potravin a živin uvnitř hmyzího společenství (včelí úl) Ø studium výživy rostlin (např. pomocí značeného fosfátu)- zjistí se jeho distribuce v rostlině, způsob jeho příjmu kořenovým systémem, zdroj fosforu z půdy apod. Ø molekulární biologie se bez indikátorů neobejde – studium dějů přenosu informací na molekulární úrovni, podstata dědičnosti, určení pořadí nukleotidů v nukleových kyselinách (tzv. sekvencování) aj. 24. Indikátory v lékařské diagnostice Radionuklidy se zpravidla získávají z radionuklidového generátoru Ø využívají se v nukleární medicíně k vyšetřování funkce a stavu různých orgánů Ø k diagnostickým účelům se dodávají radiofarmaka, která se do těla zpravidla vpravují intravenózně Ø radioaktivní látka se selektivně hromadí ve vyšetřovaném orgánu a registruje se záření, které z něj vychází Ø zjišťuje se lokalizace zhoubných nádorů Ø provádějí se i dynamická vyšetření (sleduje se časová závislost příjmu a vylučování radioaktivní látky) Detekce záření vně organismu vyžaduje, aby radioaktivní nuklid emitoval elektromagnetické záření (gama nebo rtg) Þ používají se pozitronické zářiče (pozitrony podléhají anihilaci) nebo zářiče b-/g, jaderné izomery nebo nuklidy podléhající EZ Þ nuklidy musí být krátkodobé a musí mít vhodnou (zpravidla nízkou) energii (snižuje se radiační zátěž organismu) Detekce záření se provádí zpravidla pomocí gamakamery 25. Indikátory v hydrologii Ø studium pohybu vody v různých přírodních systémech (studium podzemních vod – jejich stáří, rychlost a směr toku, vztahy mezi povrchovými a podzemními vodami, propustnost vrstev apod.) Ø používají se nuklidy kobaltu nebo chromu Ø velké zředění aktivity během hydrologického pokusu minimalizuje zavedení radioaktivity do životního prostředí 26. Indikátory v průmyslu 27. METODY STUDIA KOMPLEXů A) Kapalinová extrakce B) IONEXY C) Potenciometrie D) ostatní metody Ad A) Základní pojmy A) Kapalinová extrakce º rozdělování v soustavě kapalina-kapalina. Jde v podstatě o převádění rozpuštěné látky z jedné kapalné fáze (zpravidla vodné) do jiné fáze (organické) º z kapaliny do kapaliny se užívá tehdy, je-li příčinou přechodu do jiné kapalné fáze pouze rozdílná rozpustnost dělené složky v obou fázích Separační extrakční funkce 1. Nernstova rozdělovací konstanta K[D] (1891) -Užívá se tehdy, je-li extrahovaná látka přítomna v obou fázích ve stejné chemické formě - Ve většině systémů je to opravdu konstanta, ale např. při rozdělení HCl mezi ether a vodu je koncentrací HCl výrazně ovlivněna rozpustnost etheru ve vodě a tím i mísitelnost fází a K[D] (HCl) 2. Rozdělovací poměr c – analytická koncentrace látky. Zahrnuje tedy všechny formy, ve kterých se extrahovaná látka nachází, např. všechny formy komplexů kovu M v dané fázi. V limitním případě, kdy se v obou fázích vyskytuje pouze jediná a tatáž chemická forma extrahované látky, pak přechází D na K[D]. 3. Procento extrakce Obecné poznámky k extrakci: · Extrahovat se budou látky málo rozpustné ve vodě, ale dobře rozpustné v organické fázi · Je-li rozpustnost rozpuštěné a potenciálně extrahované látky v organické fázi malá (např. jde o kovové nebo ve vodné fázi hydratované ionty), pak je nutné zpravidla nahradit hydratační obal obalem jiným, hydrofobnějším. · Pokud jsou i nadále částice, které chceme převést extrakcí do organické fáze, nabité, je nutné je převést do neutrální formy. Zpravidla se tak děje převedením do neutrálního komplexu (chelátu nebo iontového asociátu) · I tak je důležité, aby extrahovaná částice měla pokud možno co nejvíce hydrofobní charakter, tj. aby alespoň některá její část měla do značné míry organický charakter. B) Teorie extrakce chelátů (směrnicová analýza) Ø Vliv pH na extrakci chelátů M^n+ + n(HA)[org ]= (MA[n])[org ]+ nH^+ ^ Þ log D = log K[ex] + npH + nlog[HA][org] = log - log(100-E) Pro D=1 - log K[ex]/n = pH[1/2] + log [HA][org] - log K[ex]/n = (pH[1/2])[1,0][] - log K[ex]/n = pH[1/2] + log [HA][org] Poslední vztah platí pro tvorbu aditivního komplexu, tj. komplexu, kde je jeho součástí volné činidlo, které kation kovu vedle tvorby chelátového cyklu solvatuje. n = 1 n = 2 n = 3 E D E D E D pH[1/2 ]-1 9,1 0,1 1,0 0,01 0,1 0,001 pH[1/2] –0,05 24,1 0,32 9,1 0,1 3,1 0,032 pH[1/2] 50,0 1,0 50,0 1,0 50,0 1,0 pH[1/2] + 0,5 75,9 3,2 90,9 10 96,9 32 pH[1/2] + 1 90,9 10 99,0 100 99,9 1000 Pozn. Procento extrakce dle tabulky lze dosáhnout tehdy, když: - chelát kovu musí být velmi málo rozpustný ve vodě, aby hodnota rozdělovací konstanty K[D](MA[n]) byla dostatečně vysoká - ve studované oblasti pH lze zanedbat tvorbu hydroxokomplexů či jiných ve vodě rozpustných komplexů Ø Vliv koncentrace organického činidla c[HA] = [HA][org] +[HA] +[A^-] =[HA][org]{1 + K[D][HA]^ -1 + K[D][HA]^ -1 . K[a][H^+]^-1} tedy pro rovnovážnou koncentraci činila v organické fázi platí: [HA][org] = c[HA]/1 + K[D][HA]^ -1 .{1 + K[a][H^+]^-1} Tuto hodnotu lze dosadit do vztahu pro K[ex]/n - K[D] je rozdělovací konstanta extrakčního činidla HA, K[a ]je jeho disociační konstanta[] Ø Vliv maskujících činidel Projevuje se v přítomnosti maskujících činidel H[b]B, které vytvářejí se studovaným kovem neextrahovatelný komplex typu MB[n]. Ø Vliv disociační konstanty a rozdělovací konstanty organického činidla - log K[ex]/n = pK[a ]+ log K[D](HA) - log { b[n]K[D](MA[n])} = (pH[1/2])[1,0] kde b[n] = ; K[D](MA[n]) = Ø Vliv rozpustnosti chelátu Platí, že: - rozdělovací konstanta chelátu je přibližně rovna poměru rozpustnosti tohoto chelátu v organické a vodné fázi - cheláty dobře rozpustné ve vodě (obsahují silně hydrofilní skupiny -OH, - -COOH, - SO[3]H, např. jde o šťavelany, vínany, komplexonáty) se málo rozpouštějí v organické fázi, a proto se málo extrahují - cheláty rozpustné v obou fázích (acetylacetonát Zn, Co, Pb, vzácných zemin) se extrahují pouze částečně - cheláty ve vodě prakticky nerozpustné se snadno extrahují do organické fáze téměř kvantitativně (acetylacetonát Al, Ga, In a Fe(III) - Ø Vliv organického rozpouštědla Platí, že, organické rozpouštědlo ovlivňuje * rozdělovací konstantu jak činidla, tak i kovového chelátu. Dá se říci, že čím větší je rozpustnost činidla v daném rozpouštědle, tím je i větší rozpustnost chelátů * používají-li se k extrakci rozpouštědla s vyšší permitivitou (ketony, alkoholy, trialkylfosfáty), pak toto rozpouštědlo může nahrazovat molekuly koordinačně vázané vody v chelátu a vzniklý komplex se extrahuje podstatně lépe. * pro zvýšení procenta extrakce se často užívají směsi rozpouštědel Př. extrakce U(VI) – jde o synergické působení extrakční směs D[U] 0,02 M 2-thenoyltrifluoroaceton/ cyklohexan 0,063 0,02M tri(n-butyl)fosfinoxid /cyklohexan 35,5 0,01 M 2-thenoyltrifluoroaceton + 0,01 M tri(n-butyl)fosfinoxid/ cyklohexan 1000 Ø Vliv stability chelátu Platí (ze vztahu uvedeného dříve), že s rostoucí b[n] roste i K[ex] a extrakce může probíhat z kyselejších roztoků. Ø Vliv koncentrace kovu Většinou nezávisí D[M] na koncentraci kovu při koncentracích < 10 ^–3 M, s výjimkou snadno hydrolyzovatelných prvků Při vyšších koncentracích kovu se extrakce obvykle zhoršuje: * dochází ke změně iontové síly vodné fáze * ve vodné fázi se tvoří polymery * snižuje se rovnovážná koncentrace organického činidla vlivem jeho spotřebovaní na tvorbu komplexu * je omezena rozpustnost chelátu v použitém rozpouštědle Ø Vliv teploty Extrakce se většinou provádějí při pokojové teplotě, a proto byl vliv teploty málo sledován. Ø Vliv kinetických faktorů Uvedené vztahy platí pro rovnovážné systémy. Rychlost dosažení extrakční rovnováhy závisí na: · rychlosti tvorby extrahovatelných chelátů · rychlosti přenosu těchto chelátů z jedné fáze do druhé Þ při extrakci je velmi důležité znát dobu nutnou k ustavení rovnováhy C) Substechiometrická separace Běžný typ kvantitativní separace prvku: použití nadbytečného množství komplexotvorného činidla Lze však užít (v aktivační analýze) pro kvantitativní stanovení prvků v malých množstvích i menšího - substechiometrického množství činidla ( tj. menšího než odpovídá stechiometrii separace). Aktivační analýza: radiochemická příprava různých nuklidů, nejčastěji reakcí (n ,g) · vzniká směs radionuklidů · nutno je oddělit v radiochemicky čisté formě · separace se zpravidla provádí po přidání neaktivního nosiče vybraného prvku (izotopické zředění) · provede se separace tohoto vybraného prvku (nemusí být kvantitativní) · pro celkovou aktivitu A radionuklidu, který vznikl při ozařování platí A – celková aktivita vzniklá při ozařování a - aktivita izolované části x – váhové množství přidaného nosiče m – hmotnost izolovaného nosiče Pro ozařování standardu platí stejný vztah: Aktivity stanovovaného prvku v analyzovaném prvku A a ve standardu A[s] jsou přímo úměrné množstvím stanovovaného prvku: Lze zjednodušit, splníme-li dvě podmínky: 1. k analyzovanému vzorku i ke standardu přidáme po ozáření a rozpuštění přesně stejná váhová množství neaktivního izotopického nosiče (x = x[s]) 2. z roztoku analyzovaného vzorku a ze standardu vyizolujeme pro měření aktivity libovolná, avšak přesně stejná váhová množství stanovovaného prvku (m = m[s]). Pak platí: Zde se využívá substechiometrického principu separace, nejčastěji extrakce. D) Izotopické zřeďování (1932) Stanovení prvku je založeno na sledování změny specifické aktivity, způsobené smíšením radioaktivního a neradioaktivního nuklidu stanovovaného prvku 1. Přímé izotopické zřeďování - k neaktivnímu stanovovanému prvku (y), přidáme k němu známé množství radionuklidu (y[s]) a z poklesu specifické aktivity lze vypočíst obsah stanovovaného prvku 2. Obrácené izotopické zřeďování - stanovení obsahu izotopického (neradioaktivního) nosiče v roztoku radionuklidu příslušného prvku Specifická aktivita: aktivita vztažená na jednotku hmotnosti: Oddělíme-li z roztoku původní specifické aktivity S[s] =a[s]/m[s] a z roztoku vzniklého izotopickým zředěním (S=a/m) vždy přesně stejná množství stanovovaného prvku (např. substechiometricky , m[s]=m), pak pro jeho obsah (y) v analyzovaném vzorku platí Použití: analýza stop prvků