Значението на методите за химичен анализ. Количествен анализ

Конспект на лекцията:

1. Обща характеристика на физико-химичните методи

2. Общи сведения за спектроскопските методи за анализ.

3. Фотометричен метод за анализ: фотоколориметрия, колориметрия, спектрофотометрия.

4. Общи сведения за нефелометрични, луминесцентни, поляриметрични методи за анализ.

5. Рефрактометричен метод за анализ.

6. Общи сведения за масспектрални и радиометрични анализи.

7. Електрохимични методи за анализ (потенциометрия, кондуктометрия, кулометрия, амперометрия, полярография).

8. Хроматографски метод за анализ.

Същността на физикохимичните методи за анализ. Тяхната класификация.

Физико-химичните методи за анализ, подобно на химичните методи, се основават на провеждането на една или друга химична реакция. При физичните методи химичните реакции отсъстват или са от второстепенно значение, въпреки че при спектралния анализ интензитетът на линиите винаги зависи значително от химичните реакции във въглеродния електрод или в газовия пламък. Следователно понякога физичните методи се включват в групата на физикохимичните методи, тъй като няма достатъчно стриктно недвусмислено разграничение между физични и физикохимични методи и отделянето на физичните методи в отделна група не е от основно значение.

Химическите методи за анализ не успяха да задоволят разнообразните изисквания на практиката, които се увеличиха в резултат на научно-техническия прогрес, развитието на полупроводниковата индустрия, електрониката и компютрите и широкото използване на чисти и свръхчисти вещества в технологиите.

Използването на физични и химични методи за анализ се отразява в технохимичния контрол на хранително-вкусовата промишленост, в изследователските и производствените лаборатории. Тези методи се характеризират с висока чувствителност и бърз анализ. Те се основават на използването на физични и химични свойства на веществата.

При извършване на анализи с физикохимични методи точката на еквивалентност (края на реакцията) се определя не визуално, а с помощта на инструменти, които записват промените във физичните свойства на тестваното вещество в точката на еквивалентност. За тази цел обикновено се използват устройства със сравнително сложни оптични или електрически вериги, поради което тези методи се наричат ​​методи инструментален анализ.

В много случаи тези методи не изискват химическа реакция за извършване на анализа, за разлика от химичните методи за анализ. Необходимо е само да се измерят показателите на всякакви физични свойства на анализираното вещество: електропроводимост, абсорбция на светлина, пречупване на светлина и др. Физико-химичните методи позволяват непрекъснат мониторинг на суровините, полуфабрикатите и готовите продукти в промишлеността.

Физикохимичните методи за анализ започват да се използват по-късно от химичните методи за анализ, когато е установена и изследвана връзката между физичните свойства на веществата и техния състав.

Точността на физикохимичните методи варира значително в зависимост от метода. Има най-висока точност (до 0,001%) кулонометрия,въз основа на измерване на количеството електричество, изразходвано за електрохимично окисление или редукция на йоните или елементите, които се определят. Повечето физикохимични методи имат грешка в рамките на 2-5%, което надвишава грешката на химичните методи за анализ. Подобно сравнение на грешки обаче не е напълно правилно, тъй като се отнася до различни региони на концентрация. Ако съдържанието на определяния компонент е малко (около 10 -3% или по-малко), класическите химични методи за анализ обикновено са неподходящи; при високи концентрации физикохимичните методи успешно се конкурират с химичните. Един от съществените недостатъци на повечето физикохимични методи е задължителното наличие на стандарти и стандартни разтвори.

Сред физикохимичните методи най-големи практически приложения имат:

1. спектрални и други оптични методи (рефрактометрия, поляриметрия);

2. електрохимични методи за анализ;

3. хроматографски методи за анализ.

Освен това има още 2 групи физични и химични методи:

1. радиометрични методи, базирани на измерване на радиоактивното излъчване на даден елемент;

2. методи за масспектрометричен анализ, основани на определяне на масите на отделни йонизирани атоми, молекули и радикали.

Най-обширна по брой методи и най-важна по практическо значение е групата на спектралните и други оптични методи. Тези методи се основават на взаимодействието на вещества с електромагнитно излъчване. Има много различни видове електромагнитно излъчване: рентгеново, ултравиолетово, видимо, инфрачервено, микровълново и радиочестотно. В зависимост от вида на взаимодействието на електромагнитното излъчване с материята, оптичните методи се класифицират, както следва.

Въз основа на измерване на ефектите от поляризацията на молекулите на дадено вещество рефрактометрия, поляриметрия.

Анализираните вещества могат да абсорбират електромагнитно излъчване и въз основа на използването на това явление се разграничава група абсорбционни оптични методи.

Поглъщането на светлина от атомите на аналитите се използва в атомно-абсорбционен анализ. Способността да се абсорбира светлина от молекули и йони в ултравиолетовата, видимата и инфрачервената област на спектъра направи възможно създаването молекулярно-абсорбционен анализ (колориметрия, фотоколориметрия, спектрофотометрия).

Поглъщането и разсейването на светлината от суспендирани частици в разтвор (суспензия) доведе до появата на методи турбидиметрия и нефелометрия.

Нар. емисионни методи. ДА СЕ методи на молекулярна емисиявключват луминесценция (флуоресценция) атомна емисия- емисионен спектрален анализ и пламъчна фотометрия.

Електрохимични методианализите се основават на измерване на електрическата проводимост ( кондуктометрия); потенциална разлика ( потенциометрия); количество електричество, преминаващо през разтвора ( кулонометрия); зависимост на текущата стойност от приложения потенциал ( волт-амперометрия).

Към групата хроматографски методи за анализвключва методи на газова и газо-течна хроматография, разделителна, тънкослойна, адсорбционна, йонообменна и други видове хроматография.

Спектроскопски методи за анализ: обща информация

Концепцията за спектроскопичния метод на анализ, неговите разновидности

Спектроскопски методи за анализ- физични методи, основани на взаимодействието на електромагнитното излъчване с материята. Взаимодействието води до различни енергийни преходи, които се регистрират инструментално под формата на поглъщане на радиация, отражение и разсейване на електромагнитно излъчване.

Класификация:

Емисионният спектрален анализ се основава на изследването на емисионни (радиационни) спектри или емисионни спектри на различни вещества. Разновидност на този анализ е пламъчната фотометрия, която се основава на измерване на интензитета на атомната радиация, възбудена от нагряване на вещество в пламък.

Абсорбционният спектрален анализ се основава на изследването на абсорбционните спектри на анализираните вещества. Ако радиацията се поглъща от атоми, тогава абсорбцията се нарича атомна, а ако от молекули, тогава се нарича молекулярна. Има няколко вида абсорбционен спектрален анализ:

1. Спектрофотометрия - отчита поглъщането на светлина с определена дължина на вълната от анализираното вещество, т.е. абсорбция на монохроматично лъчение.

2. Фотометрия - основава се на измерване на поглъщането на светлината на нестриктно монохроматично излъчване от анализираното вещество.

3. Колориметрията се основава на измерване на абсорбцията на светлина от цветни разтвори във видимата част на спектъра.

4. Нефелометрията се основава на измерване на интензитета на светлината, разсеяна от твърди частици, суспендирани в разтвор, т.е. светлина, разсеяна от окачването.

Луминесцентната спектроскопия използва блясъка на изследвания обект, който възниква под въздействието на ултравиолетовите лъчи.

В зависимост от това коя част от спектъра се поглъща или излъчва, спектроскопията се разграничава в ултравиолетовата, видимата и инфрачервената област на спектъра.

Спектроскопията е чувствителен метод за определяне на повече от 60 елемента. Използва се за анализ на множество материали, включително биологични среди, растителни вещества, цименти, стъкла и природни води.

Фотометрични методи за анализ

Фотометричните методи за анализ се основават на селективното поглъщане на светлина от аналита или комбинацията му с подходящ реагент. Интензитетът на абсорбция може да бъде измерен по всеки метод, независимо от природата на оцветеното съединение. Точността на метода зависи от метода на измерване. Има колориметрични, фотоколориметрични и спектрофотометрични методи.

Фотоколориметричен метод за анализ.

Фотоколориметричният метод на анализ дава възможност да се определи количествено интензитетът на поглъщане на светлина от анализирания разтвор с помощта на фотоелектроколориметри (понякога те се наричат ​​просто фотоколориметри). За да направите това, пригответе серия от стандартни разтвори и начертайте зависимостта на светлинната абсорбция на аналита от неговата концентрация. Тази зависимост се нарича калибровъчна графика. При фотоколориметрите светлинните потоци, преминаващи през разтвор, имат широка област на поглъщане - 30-50 nm, така че светлината тук е полихроматична. Това води до загуба на възпроизводимост, точност и селективност на анализа. Предимствата на фотоколориметъра са неговата простота на дизайна и висока чувствителност, дължащи се на голямата апертура на източника на радиация - лампа с нажежаема жичка.

Колориметричен метод за анализ.

Колориметричният метод за анализ се основава на измерване на абсорбцията на светлина от веществото. В този случай се сравнява интензивността на цвета, т.е. оптична плътност на тестовия разтвор с цвета (оптична плътност) на стандартния разтвор, чиято концентрация е известна. Методът е много чувствителен и се използва за определяне на микро- и полумикроколичества.

Анализът чрез колориметричен метод изисква значително по-малко време от химичния метод.

По време на визуалния анализ се постига равенство на интензитета на цвета на анализирания и оцветения разтвор. Това може да се постигне по 2 начина:

1. изравняване на цвета чрез промяна на дебелината на слоя;

2. изберете стандартни разтвори с различни концентрации (метод на стандартните серии).

Визуално обаче е невъзможно да се определи количествено колко пъти един разтвор е по-интензивно оцветен от друг. В този случай е възможно само да се установи същият цвят на анализирания разтвор, като се сравни със стандартния.

Основен закон за поглъщане на светлина.

Ако светлинен поток, чийто интензитет I 0, е насочен към разтвор, разположен в плосък стъклен съд (кювета), тогава една част от него с интензитет I r се отразява от повърхността на кюветата, другата част с интензитет I a се абсорбира от разтвора и третата част с интензитет I t преминава през разтвора. Има връзка между тези количества:

I 0 = I r + I a + I t (1)

защото Тъй като интензитетът I r на отразената част от светлинния поток при работа с еднакви клетки е постоянен и незначителен, той може да бъде пренебрегнат при изчисленията. Тогава равенството (1) приема формата:

I 0 = I a + I t (2)

Това равенство характеризира оптичните свойства на разтвора, т.е. способността му да абсорбира тиня, за да пропуска светлина.

Интензитетът на абсорбираната светлина зависи от броя на цветните частици в разтвора, които абсорбират повече светлина от разтворителя.

Светлинният поток, преминавайки през разтвора, губи част от интензивността си - колкото по-голяма е концентрацията и дебелината на слоя разтвор, толкова по-голям е интензитетът. За цветните разтвори съществува зависимост, наречена закон на Бугер–Ламберт–Беер (между степента на поглъщане на светлината, интензитета на падащата светлина, концентрацията на оцветеното вещество и дебелината на слоя).

Според този закон абсорбцията на монохроматографска светлина, преминаваща през слой цветна течност, е пропорционална на концентрацията и дебелината на нейния слой:

I = I 0 10 - kCh ,

Където аз– интензитет на светлинния поток, преминаващ през разтвора; аз 0– интензитет на падащата светлина; СЪС– концентрация, мол/л; ч– дебелина на слоя, см; к– моларен коефициент на поглъщане.

Моларен коефициент на поглъщане к– оптична плътност на разтвор, съдържащ 1 мол/лабсорбиращо вещество, с дебелина на слоя 1 см.Зависи от химическата природа и физическото състояние на веществото, абсорбиращо светлина, и от дължината на вълната на монохроматичната светлина.

Стандартен сериен метод.

Методът на стандартната серия се основава на получаване на еднакъв интензитет на цвета на теста и стандартните разтвори при една и съща дебелина на слоя. Цветът на тестовия разтвор се сравнява с цвета на редица стандартни разтвори. При еднакъв интензитет на цвета концентрациите на тестовия и стандартния разтвор са равни.

За да приготвите серия от стандартни разтвори, вземете 11 епруветки с еднаква форма, размер и от едно и също стъкло. Изсипете стандартен разтвор от бюрета в постепенно увеличаващи се количества, например: в 1 епруветка 0,5 мл, във 2-ра 1 мл, в 3-та 1,5 мли т.н. - преди 5 мл(всяка следваща епруветка съдържа 0,5 ml повече от предишната). Във всички епруветки се наливат равни обеми разтвор, който дава цветна реакция с определяния йон. Разтворите се разреждат така, че нивата на течности във всички епруветки да са еднакви. Епруветките се затварят, съдържанието се смесва старателно и се поставя в стелаж в нарастващи концентрации. По този начин се получава цветна скала.

Същото количество реагент се добавя към тестовия разтвор в същата епруветка и се разрежда с вода до същия обем, както в другите епруветки. Затворете със запушалка и разбъркайте добре съдържанието. Цветът на тестовия разтвор се сравнява с цвета на стандартните разтвори на бял фон. Разтворите трябва да бъдат добре осветени с дифузна светлина. Ако интензитетът на цвета на тестовия разтвор съвпада с интензитета на цвета на един от разтворите на цветовата скала, тогава концентрациите на този и тестовия разтвор са равни. Ако интензитетът на цвета на изследвания разтвор е междинен между интензитета на два съседни разтвора на скалата, тогава неговата концентрация е равна на средната концентрация на тези разтвори.

Използването на метода на стандартния разтвор е препоръчително само за определяне на маса на вещество. Подготвената серия стандартни разтвори трае сравнително кратко време.

Метод за изравняване на интензитета на цвета на разтворите.

Методът за изравняване на интензивността на цвета на тестовите и стандартните разтвори се осъществява чрез промяна на височината на слоя на един от разтворите. За да направите това, оцветените разтвори се поставят в 2 еднакви съда: тестовият разтвор и стандартният. Променете височината на слоя разтвор в един от съдовете, докато интензитетът на цвета и в двата разтвора стане еднакъв. В този случай се определя концентрацията на тестовия разтвор С. , сравнявайки го с концентрацията на стандартния разтвор:

С изследване = C st h st / h issl,

където h st и h test са височината на слоя съответно на стандартния и тестовия разтвор.

Наричат ​​се инструменти, използвани за определяне на концентрациите на тестовите разтвори чрез изравняване на интензитета на цвета колориметри.

Има визуални и фотоелектрични колориметри. При визуални колориметрични определяния интензитетът на цвета се измерва чрез директно наблюдение. Фотоелектричните методи се основават на използването на фотоклетки-фотоколориметри. В зависимост от интензитета на падащия светлинен лъч във фотоклетката възниква електрически ток. Токът, причинен от излагане на светлина, се измерва с галванометър. Отклонението на стрелката показва интензивността на цвета.

Спектрофотометрия.

Фотометричен методсе основава на измерване на абсорбцията на светлина от светлина, която не е строго монохроматична от аналита.

Ако във фотометричния метод за анализ се използва монохроматично лъчение (излъчване с една дължина на вълната), тогава този метод се нарича спектрофотометрия. Степента на монохроматичност на потока от електромагнитно излъчване се определя от минималния интервал на дължината на вълната, който се отличава от използвания монохроматор (филтър, дифракционна решетка или призма) от непрекъснатия поток от електромагнитно излъчване.

ДА СЕ спектрофотометриявключва и областта на измервателната технология, която съчетава спектрометрия, фотометрия и метрология и се занимава с разработването на система от методи и инструменти за количествени измервания на спектрална абсорбция, отражение, излъчване, спектрална яркост като характеристики на медии, покрития, повърхности, излъчватели.

Етапи на спектрофотометрично изследване:

1) провеждане на химическа реакция за получаване на системи, удобни за спектрофотометричен анализ;

2) измерване на абсорбцията на получените разтвори.

Същността на спектрофотометричния метод

Зависимостта на абсорбцията на разтвор на вещество от дължината на вълната е изобразена на графиката под формата на абсорбционен спектър на веществото, върху който е лесно да се идентифицира максимумът на абсорбцията, разположен при дължината на вълната на светлината, която е максимално абсорбирана от веществото. Измерването на оптичната плътност на разтвори на вещества с помощта на спектрофотометри се извършва при дължина на вълната на максимална абсорбция. Това дава възможност да се анализират в един разтвор вещества, чиито максимуми на абсорбция са разположени на различни дължини на вълната.

Ултравиолетово-видимата спектрофотометрия използва електронни абсорбционни спектри.

Те характеризират най-високите енергийни преходи, на които са способни ограничен набор от съединения и функционални групи. В неорганичните съединения електронните спектри са свързани с висока поляризация на атомите, включени в молекулата на веществото, и обикновено се появяват в сложни съединения. В органичните съединения появата на електронни спектри се причинява от прехода на електрони от основните към възбудени нива.

Положението и интензитетът на абсорбционните ленти са силно повлияни от йонизацията. По време на киселинна йонизация в молекулата се появява допълнителна несподелена двойка електрони, което води до допълнително батохромно изместване (изместване към дълговълновата област на спектъра) и увеличаване на интензитета на абсорбционната лента.

Спектърът на много вещества има няколко ленти на поглъщане.

За спектрофотометрични измервания в ултравиолетовата и видимата област се използват два вида инструменти - без регистрация(резултатът се наблюдава визуално на скалата на инструмента) и записващи спектрофотометри.

Луминесцентен метод на анализ.

Луминесценция- способността да свети независимо, възникваща при различни влияния.

Класификация на процесите, причиняващи луминесценция:

1) фотолуминесценция (възбуждане от видима или ултравиолетова светлина);

2) хемилуминесценция (възбуждане поради енергията на химичните реакции);

3) катодолуминесценция (възбуждане чрез електронен удар);

4) термолуминесценция (възбуждане чрез нагряване);

5) триболуминесценция (възбуждане чрез механично действие).

В химичния анализ първите два вида луминесценция са важни.

Класификация на луминесценцията по наличието на последващо сияние. Може да спре веднага, когато възбудата изчезне - флуоресценцияили да продължи известно време след прекратяване на стимулиращото влияние - фосфоресценция. Основно се използва явлението флуоресценция, поради което методът се нарича флуориметрия.

Приложения на флуориметрията: анализ на следи от метали, органични (ароматни) съединения, витамини D, B 6.Флуоресцентни индикатори се използват при титруване в мътна или тъмно оцветена среда (титруването се извършва на тъмно, като титруваният разтвор, към който се добавя индикаторът, се осветява със светлина на флуоресцентна лампа).

Нефелометричен анализ.

Нефелометрияпредложен от Ф. Кобер през 1912 г. и се основава на измерване на интензитета на светлината, разсеяна от суспензия от частици, с помощта на фотоклетки.

Нефелометрията се използва за измерване на концентрацията на вещества, които са неразтворими във вода, но образуват стабилни суспензии.

За извършване на нефелометрични измервания те се използват нефелометри, подобни по принцип на колориметрите, с единствената разлика, че с нефелометрията

При провеждане фотонефелометричен анализПърво, въз основа на резултатите от определянето на серия от стандартни разтвори, се изгражда калибрираща графика, след това се анализира тестовият разтвор и концентрацията на аналита се определя от графиката. За стабилизиране на получените суспензии се добавя защитен колоид - разтвор на нишесте, желатин и др.

Поляриметричен анализ.

Електромагнитните вибрации на естествената светлина възникват във всички равнини, перпендикулярни на посоката на лъча. Кристалната решетка има способността да пропуска лъчи само в определена посока. При излизане от кристала лъчът осцилира само в една равнина. Нарича се лъч, чиито трептения са в една и съща равнина поляризиран. Равнината, в която възникват вибрации, се нарича равнина на трептенеполяризиран лъч, а перпендикулярната на него равнина е равнина на поляризация.

Поляриметричният метод за анализ се основава на изследването на поляризирана светлина.

Рефрактометричен метод за анализ.

Рефрактометричният метод за анализ се основава на определянето на индекса на пречупване на изследваното вещество, тъй като отделно вещество се характеризира с определен коефициент на пречупване.

Техническите продукти винаги съдържат примеси, които влияят на индекса на пречупване. Следователно индексът на пречупване може в някои случаи да служи като характеристика на чистотата на продукта. Например, видовете пречистен терпентин се отличават с техните индекси на пречупване. По този начин коефициентите на пречупване на терпентина при 20° за жълтия цвят, означени с n 20 D (записът означава, че индексът на пречупване е измерен при 20°C, дължината на вълната на падащата светлина е 598 mmk), са равни на:

Първи клас Втори клас Трети клас

1,469 – 1,472 1,472 – 1,476 1,476 – 1,480

Рефрактометричният метод за анализ може да се използва за двойни системи, например за определяне на концентрацията на вещество във водни или органични разтвори. В този случай анализът се основава на зависимостта на индекса на пречупване на разтвора от концентрацията на разтвореното вещество.

За някои разтвори има таблици на зависимостта на показателите на пречупване от тяхната концентрация. В други случаи те се анализират с помощта на метода на калибровъчната крива: приготвя се серия от разтвори с известни концентрации, измерват се техните показатели на пречупване и се начертава графика на показателите на пречупване спрямо концентрацията, т.е. построяване на калибровъчна крива. Използва се за определяне на концентрацията на тестовия разтвор.

Индекс на пречупване.

Когато светлинен лъч преминава от една среда в друга, посоката му се променя. Пречупва се. Коефициентът на пречупване е равен на отношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване (тази стойност е постоянна и характерна за дадена среда):

n = sin α / sin β,

където α и β са ъглите между посоката на лъчите и перпендикуляра към границата на двете среди (фиг. 1)

Индексът на пречупване е съотношението на скоростта на светлината във въздуха и в изследваната среда (ако лъч светлина пада от въздуха).

Индексът на пречупване зависи от:

1. дължина на вълната на падащата светлина (с нарастващ индикатор за дължина на вълната

рефракцията намалява);

2. температура (с повишаване на температурата показателят на пречупване намалява);

3. налягане (за газове).

При определяне на индекса на пречупване се посочват дължината на вълната на падащата светлина и температурата на измерване. Например писането на n 20 D означава, че индексът на пречупване е измерен при 20 ° C, дължината на вълната на падащата светлина е 598 mmk. В техническите справочници индексите на пречупване са дадени при n 20 D.

Определяне на коефициента на пречупване на течност.

Преди започване на работа повърхността на призмите на рефрактометъра се измива с дестилирана вода и алкохол, нулевата точка на устройството се проверява правилно и се определя индексът на пречупване на изследваната течност. За да направите това, внимателно избършете повърхността на измервателната призма с памучен тампон, навлажнен с тестовата течност, и нанесете няколко капки от нея върху тази повърхност. Призмите са затворени и чрез завъртането им границата на светлината и сянката се начертава върху кръста на резбите на окуляра. Компенсаторът елиминира спектъра. При изчисляване на индекса на пречупване се вземат три знака след десетичната запетая на скалата на рефрактометъра, а четвъртият се взема на око. След това те изместват границата на chiaroscuro, отново я подравняват с центъра на кръста на мрежата и правят второ броене. Че. правят се 3 или 5 отчитания, след което работните повърхности на призмите се измиват и забърсват. Тестваното вещество отново се нанася върху повърхността на измервателната призма и се извършва втора серия от измервания. Средната аритметична стойност се взема от получените данни.

Радиометричен анализ.

Радиометричен анализ чсе основава на измерване на радиация от радиоактивни елементи и се използва за количествено определяне на радиоактивни изотопи в изследвания материал. В този случай се измерва или естествената радиоактивност на определяния елемент, или изкуствената радиоактивност, получена с помощта на радиоактивни изотопи.

Радиоактивните изотопи се идентифицират по техния полуживот или по вида и енергията на излъчваната радиация. В практиката на количествения анализ активността на радиоактивните изотопи най-често се измерва чрез тяхното α-, β- и γ-излъчване.

Приложения на радиометричен анализ:

Изследване на механизма на химичните реакции.

Методът на белязаните атоми се използва за изследване на ефективността на различни методи за прилагане на торове в почвата, пътищата на проникване на микроелементи, нанесени върху листата на растението, в тялото и др. Радиоактивният фосфор 32 P и азотът 13 N са особено широко използвани в агрохимичните изследвания.

Анализ на радиоактивни изотопи, използвани за лечение на рак и за определяне на хормони и ензими.

Масов спектрален анализ.

Основава се на определяне на масите на отделни йонизирани атоми, молекули и радикали в резултат на комбинираното действие на електрически и магнитни полета. Регистрацията на отделените частици се извършва чрез електрически (масспектрометрия) или фотографски (масспектрография) методи. Определянето се извършва с помощта на инструменти - масспектрометри или масспектрографи.

Електрохимични методи за анализ.

Електрохимичните методи за анализ и изследване се основават на изучаването и използването на процеси, протичащи на повърхността на електрода или в околоелектродното пространство. Аналитичен сигнал- електрически параметър (потенциал, ток, съпротивление), който зависи от концентрацията на определяното вещество.

Разграничете правИ индиректни електрохимични методи. При директните методи се използва зависимостта на силата на тока от концентрацията на определяния компонент. При косвените силата на тока (потенциал) се измерва, за да се намери крайната точка на титруване (точка на еквивалентност) на компонента, определян от титранта.

Електрохимичните методи за анализ включват:

1. потенциометрия;

2. кондуктометрия;

3. кулонометрия;

4. амперометрия;

5. полярография.

Електроди, използвани в електрохимичните методи.

1. Еталонен електрод и индикаторен електрод.

Еталонен електрод- Това е електрод с постоянен потенциал, нечувствителен към разтворени йони. Референтният електрод има възпроизводим потенциал, който е стабилен във времето и не се променя при преминаване на малък ток, а потенциалът на индикаторния електрод се отчита спрямо него. Използват се електроди от сребърен хлорид и каломел. Електродът от сребърен хлорид е сребърна тел, покрита със слой AgCl и поставена в разтвор на KCl. Потенциалът на електрода се определя от концентрацията на хлорни йони в разтвора:

Каломеловият електрод се състои от метален живак, каломел и разтвор на KCl. Потенциалът на електрода зависи от концентрацията на хлоридните йони и температурата.

Индикаторен електрод- Това е електрод, който реагира на концентрацията на детектирани йони. Индикаторният електрод променя потенциала си с промени в концентрацията на "потенциал-определящи йони". Индикаторните електроди се делят на необратими и обратими. Потенциалните скокове на обратимите индикаторни електроди на интерфейсите зависят от активността на участниците в електродните реакции в съответствие с термодинамичните уравнения; равновесието се установява доста бързо. Необратимите индикаторни електроди не отговарят на изискванията за обратимите. В аналитичната химия се използват обратими електроди, за които е изпълнено уравнението на Нернст.

2. Метални електроди: електронен обмен и йонен обмен.

електронен обменелектрод на границата настъпва реакция с участието на електрони. Електронообменните електроди се разделят на електроди първи види електроди втори вид. Електродите от първия вид са метална плоча (сребро, живак, кадмий), потопена в разтвор на силно разтворима сол на този метал. Електродите от втория тип са метални, покрити със слой от слабо разтворимо съединение на този метал и потопени в разтвор на силно разтворимо съединение със същия анион (сребърен хлорид, каломелови електроди).

Йонообменни електроди- електроди, чийто потенциал зависи от съотношението на концентрациите на окислената и редуцирана форма на едно или повече вещества в разтвора. Такива електроди са направени от инертни метали, като платина или злато.

3. Мембранни електродиТе представляват пореста плоча, импрегнирана с течност, която не се смесва с вода и е способна на селективна адсорбция на определени йони (например разтвори на Ni 2+, Cd 2+, Fe 2+ хелати в органичен разтвор). Работата на мембранните електроди се основава на възникването на потенциална разлика на границата и установяването на обменно равновесие между мембраната и разтвора.

Потенциометричен метод за анализ.

Потенциометричният метод за анализ се основава на измерване на потенциала на електрод, потопен в разтвор. При потенциометричните измервания се формира галванична клетка с индикаторен електрод и референтен електрод и се измерва електродвижещата сила (ЕМС).

Видове потенциометрия:

Директна потенциометрияизползва се за директно определяне на концентрацията въз основа на потенциала на индикаторния електрод, при условие че процесът на електрода е обратим.

Индиректна потенциометриясе основава на факта, че промяната в концентрацията на йони е придружена от промяна в потенциала на електрода, потопен в титрувания разтвор.

При потенциометрично титруване крайната точка се открива чрез потенциален скок, причинен от замяната на електрохимична реакция с друга в съответствие със стойностите на E° (стандартен електроден потенциал).

Стойността на потенциала зависи от концентрацията на съответните йони в разтвора. Например, потенциалът на сребърен електрод, потопен в разтвор на сребърна сол, се променя с концентрацията на Ag + йони в разтвора. Следователно, чрез измерване на потенциала на електрод, потопен в разтвор на дадена сол с неизвестна концентрация, е възможно да се определи съдържанието на съответните йони в разтвора.

Електродът, по потенциала на който се съди за концентрацията на определените йони в разтвора, се нарича индикаторен електрод.

Потенциалът на индикаторния електрод се определя чрез сравняването му с потенциала на друг електрод, който обикновено се нарича референтен електрод.Като референтен електрод може да се използва само електрод, чийто потенциал остава непроменен, когато се променя концентрацията на определяните йони. Като референтен електрод се използва стандартен (нормален) водороден електрод.

На практика като еталонен електрод с известна стойност на потенциала на електрода често се използва каломелов електрод, а не водороден електрод (фиг. 1). Потенциалът на каломелов електрод с наситен разтвор на CO при 20 °C е 0,2490 V.

Кондуктометричен метод за анализ.

Кондуктометричният метод за анализ се основава на измерване на електропроводимостта на разтвори, която се променя в резултат на химични реакции.

Електрическата проводимост на разтвора зависи от естеството на електролита, неговата температура и концентрацията на разтвореното вещество. Електропроводимостта на разредените разтвори се дължи на движението на катиони и аниони, характеризиращи се с различна подвижност.

С повишаване на температурата електрическата проводимост се увеличава, тъй като подвижността на йоните се увеличава. При дадена температура електропроводимостта на електролитен разтвор зависи от концентрацията му: като правило, колкото по-висока е концентрацията, толкова по-голяма е електропроводимостта! Следователно електрическата проводимост на даден разтвор служи като индикатор за концентрацията на разтвореното вещество и се определя от подвижността на йоните.

В най-простия случай на кондуктометрично количествено определяне, когато разтворът съдържа само един електролит, се изчертава графика на зависимостта на електропроводимостта на разтвора на аналита от неговата концентрация. След като се определи електрическата проводимост на тестовия разтвор, концентрацията на аналита се намира от графиката.

По този начин електропроводимостта на баритната вода се променя в пряка зависимост от съдържанието на Ba(OH) 2 в разтвора. Тази зависимост се изразява графично с права линия. За да се определи съдържанието на Ba (OH) 2 в баритна вода с неизвестна концентрация, е необходимо да се определи нейната електрическа проводимост и, като се използва графиката за калибриране, да се намери концентрацията на Ba (OH) 2, съответстваща на тази стойност на електрическата проводимост. Ако измерен обем газ, съдържащ въглероден диоксид, премине през разтвор на Ba(OH) 2, чиято електрическа проводимост е известна, тогава CO 2 реагира с Ba(OH) 2:

Ba(OH) 2 + C0 2 → BaC03 + H20

В резултат на тази реакция съдържанието на Ba(OH) 2 в разтвора ще намалее и електропроводимостта на баритната вода ще намалее. Чрез измерване на електрическата проводимост на баритна вода, след като е абсорбирала CO 2, е възможно да се определи колко е намаляла концентрацията на Ba(OH) 2 в разтвора. Въз основа на разликата в концентрациите на Ba(OH) 2 в баритна вода е лесно да се изчисли количеството на абсорбирания

Може да се извърши анализ на дадено вещество, за да се определи неговият качествен или количествен състав. В съответствие с това се прави разлика между качествен и количествен анализ.

Качественият анализ позволява да се установи от какви химични елементи се състои анализираното вещество и какви йони, групи от атоми или молекули влизат в неговия състав. При изследване на състава на неизвестно вещество качественият анализ винаги предшества количествения, тъй като изборът на метод за количествено определяне на съставните части на анализираното вещество зависи от данните, получени от неговия качествен анализ.

Качественият химичен анализ се основава най-вече на превръщането на аналита в някакво ново съединение, което има характерни свойства: цвят, определено агрегатно състояние, кристална или аморфна структура, специфична миризма и др. Химичната трансформация, която се случва, се нарича качествена аналитична реакция, а веществата, които причиняват тази трансформация, се наричат ​​реактиви (реактиви).

Когато се анализира смес от няколко вещества с подобни химични свойства, те първо се разделят и едва след това се провеждат характерни реакции върху отделните вещества (или йони), така че качественият анализ обхваща не само отделните реакции за откриване на йони, но и методите за тяхното разделяне .

Количественият анализ дава възможност да се установят количествени връзки между частите на дадено съединение или смес от вещества. За разлика от качествения анализ, количественият анализ дава възможност да се определи съдържанието на отделни компоненти на аналита или общото съдържание на аналита в изследвания продукт.

Методите за качествен и количествен анализ, които позволяват да се определи съдържанието на отделни елементи в анализираното вещество, се наричат ​​елементи на анализ; функционални групи - функционален анализ; отделни химични съединения, характеризиращи се с определено молекулно тегло - молекулярен анализ.

Набор от различни химични, физични и физикохимични методи за разделяне и определяне на отделни структурни (фазови) компоненти на хетерогенни системи, които се различават по свойства и физическа структура и са ограничени един от друг чрез интерфейси, се нарича фазов анализ.

Методи за качествен анализ

При качествения анализ характерните химични или физични свойства на това вещество се използват за определяне на състава на изследваното вещество. Няма абсолютно никаква нужда да се изолират откриваемите елементи в тяхната чиста форма, за да се открие присъствието им в анализираното вещество. Въпреки това, изолирането на чисти метали, неметали и техните съединения понякога се използва в качествения анализ за идентифицирането им, въпреки че този метод на анализ е много труден. За откриване на отделни елементи се използват по-прости и по-удобни методи за анализ, основани на химични реакции, характерни за йоните на тези елементи и протичащи при строго определени условия.

Аналитичен признак за наличието на желания елемент в анализираното съединение е отделянето на газ със специфична миризма; в другия, образуването на утайка, характеризираща се с определен цвят.

Реакции, протичащи между твърди вещества и газове. Аналитичните реакции могат да протичат не само в разтвори, но и между твърди и газообразни вещества.

Пример за реакция между твърди вещества е реакцията на отделяне на метален живак, когато неговите сухи соли се нагряват с натриев карбонат. Образуването на бял дим, когато амоняк реагира с хлороводород, може да служи като пример за аналитична реакция, включваща газообразни вещества.

Реакциите, използвани в качествения анализ, могат да бъдат разделени на следните групи.

1. Реакции на утаяване, придружени от образуване на утаяване с различни цветове. Например:

CaC2O4 - бял

Fe43 - синьо,

CuS - кафяво - жълто

HgI2 - червен

MnS - гол - розов

PbI2 - златен

Получените утайки могат да се различават по определена кристална структура, разтворимост в киселини, основи, амоняк и др.

2. Реакции, придружени с образуване на газове с известна миризма, разтворимост и др.

3. Реакции, придружени от образуване на слаби електролити. Сред такива реакции, в резултат на които се образуват: CH3COOH, H2F2, NH4OH, HgCl2, Hg(CN)2, Fe(SCN)3 и др. Реакциите от същия тип могат да се считат за реакции на киселинно-алкално взаимодействие, придружени от образуването на неутрални водни молекули, реакции на образуване на газове и слабо разтворими утайки във вода и реакции на комплексообразуване.

4. Реакции на киселинно-базово взаимодействие, придружени от пренос на протони.

5. Реакции на комплексообразуване, придружени от добавяне на различни легенди - йони и молекули - към атомите на комплексообразователя.

6. Реакции на комплексообразуване, свързани с киселинно-алкално взаимодействие

7. Окислително - редукционни реакции, съпроводени с пренос на електрони.

8. Окислително-редукционни реакции, свързани с киселинно-алкално взаимодействие.

9. Реакции на окисление - редукция, свързани с комплексообразуване.

10. Окислително-редукционни реакции, придружени с образуване на утайки.

11. Йонообменни реакции, протичащи върху катионобменници или анионобменници.

12. Каталитични реакции, използвани в кинетичните методи за анализ

Мокър и сух анализ

Реакциите, използвани в качествения химичен анализ, най-често се извършват в разтвори. Аналитът първо се разтваря и след това полученият разтвор се третира с подходящи реагенти.

За разтваряне на анализираното вещество се използват дестилирана вода, оцетна и минерална киселина, царска вода, воден разтвор на амоняк, органични разтворители и др. Чистотата на използваните разтворители е важна за получаване на правилни резултати.

Веществото, прехвърлено в разтвор, се подлага на систематичен химичен анализ. Систематичният анализ се състои от серия от предварителни тестове и последователни реакции.

Химическият анализ на изпитваните вещества в разтвори се нарича мокър анализ.

В някои случаи веществата се анализират сухи, без да се прехвърлят в разтвор. Най-често такъв анализ се свежда до тестване на способността на веществото да оцветява безцветен пламък на горелка в характерен цвят или да придава определен цвят на стопилката (така наречената перла), получена чрез нагряване на веществото с натриев тетраборат (боракс). ) или натриев фосфат ("фосфорна сол") в платинено ухо.тел.

Химически и физичен метод за качествен анализ.

Химични методи за анализ. Методите за определяне на състава на веществата въз основа на използването на техните химични свойства се наричат ​​химични методи за анализ.

Химичните методи за анализ са широко използвани в практиката. Те обаче имат редица недостатъци. По този начин, за да се определи съставът на дадено вещество, понякога е необходимо първо да се отдели определяният компонент от чужди примеси и да се изолира в чиста форма. Изолирането на вещества в тяхната чиста форма често е много трудна и понякога невъзможна задача. Освен това, за да се определят малки количества примеси (по-малко от 10-4%), съдържащи се в анализираното вещество, понякога е необходимо да се вземат големи проби.

Физични методи за анализ. Наличието на конкретен химичен елемент в проба може да бъде открито, без да се прибягва до химични реакции, въз основа директно на изследването на физичните свойства на изследваното вещество, например оцветяването на безцветен пламък на горелка в характерни цветове от летливи съединения на някои химични елементи.

Методите за анализ, които могат да се използват за определяне на състава на изследваното вещество, без да се прибягва до химични реакции, се наричат ​​физични методи за анализ. Физичните методи за анализ включват методи, основани на изследване на оптични, електрически, магнитни, топлинни и други физични свойства на анализираните вещества.

Най-широко използваните физични методи за анализ включват следното.

Спектрален качествен анализ. Спектралния анализ се основава на наблюдението на емисионни спектри (емисионни или емисионни спектри) на елементите, които изграждат анализираното вещество.

Луминесцентен (флуоресцентен) качествен анализ. Луминесцентният анализ се основава на наблюдението на луминесценция (емисия на светлина) на аналитите, причинена от действието на ултравиолетовите лъчи. Методът се използва за анализ на естествени органични съединения, минерали, лекарства, редица елементи и др.

За да се възбуди сиянието, изследваното вещество или неговият разтвор се облъчват с ултравиолетови лъчи. В този случай атомите на веществото, след като са погълнали определено количество енергия, преминават във възбудено състояние. Това състояние се характеризира с по-голям запас от енергия от нормалното състояние на материята. Когато веществото премине от възбудено в нормално състояние, възниква луминесценция поради излишък на енергия.

Луминесценцията, която затихва много бързо след прекратяване на облъчването, се нарича флуоресценция.

Чрез наблюдение на естеството на луминисцентното сияние и измерване на интензитета или яркостта на луминесценцията на съединение или неговите разтвори може да се прецени съставът на изследваното вещество.

В някои случаи определянията се правят въз основа на изследването на флуоресценцията в резултат на взаимодействието на определяното вещество с определени реагенти. Известни са и луминесцентни индикатори, използвани за определяне на реакцията на околната среда чрез промени във флуоресценцията на разтвора. Луминесцентни индикатори се използват при изследване на цветни среди.

Рентгенов дифракционен анализ. С помощта на рентгенови лъчи е възможно да се определят размерите на атомите (или йоните) и техните относителни позиции в молекулите на изследваната проба, т.е. възможно е да се определи структурата на кристалната решетка, съставът на веществото а понякога и наличието на примеси в него. Методът не изисква химическа обработка на веществото или големи количества.

Масспектрометричен анализ. Методът се основава на определянето на отделни йонизирани частици, които се отклоняват от електромагнитно поле в по-голяма или по-малка степен в зависимост от съотношението на тяхната маса към заряд (за повече подробности вижте книга 2).

Физическите методи за анализ, които имат редица предимства пред химичните, в някои случаи позволяват да се решат проблеми, които не могат да бъдат разрешени с методите на химичния анализ; Използвайки физични методи, е възможно да се разделят елементи, които трудно се разделят чрез химични методи, както и непрекъснато и автоматично да се записват показанията. Много често наред с химичните се използват физични методи за анализ, което дава възможност да се използват предимствата и на двата метода. Комбинацията от методи е особено важна при определяне на минимални количества (следи) от примеси в анализирани обекти.

Макро, полумикро и микро методи

Анализ на големи и малки количества от тестваното вещество. В миналото химиците са използвали големи количества от изследваното вещество за анализ. За да се определи съставът на дадено вещество, се вземат проби от няколко десетки грама, които се разтварят в голям обем течност. Това изисква химически контейнери с подходящ капацитет.

В момента химиците се задоволяват с малки количества вещества в аналитичната практика. В зависимост от количеството на аналита, обема на разтворите, използвани за анализ, и главно от използваната експериментална техника, методите за анализ се разделят на макро-, полу-микро- и микрометоди.

Когато извършвате анализ с помощта на макрометода, за провеждане на реакцията вземете няколко милилитра разтвор, съдържащ най-малко 0,1 g от веществото, и добавете най-малко 1 ml от разтвора на реагента към тестовия разтвор. Реакциите се провеждат в епруветки. При валежите се получават обемни утайки, които се отделят чрез филтриране през фунии с хартиени филтри.

Капков анализ

Техника за провеждане на реакции при капков анализ. Така нареченият капков анализ, въведен в аналитичната практика от Н. А. Тананаев, придоби голямо значение в аналитичната химия.

При работа с този метод от голямо значение са явленията капилярност и адсорбция, с помощта на които е възможно да се отварят и разделят различни йони, когато те присъстват заедно. При капков анализ индивидуалните реакции се провеждат върху порцеланови или стъклени плочи или върху филтърна хартия. В този случай капка от тестовия разтвор и капка от реагента, който причинява характерно оцветяване или образуване на кристали, се нанасят върху плочата или хартията.

При извършване на реакцията върху филтърна хартия се използват свойствата на капилярната адсорбция на хартията. Течността се абсорбира от хартията и полученото оцветено съединение се адсорбира върху малка част от хартията, което води до повишена чувствителност на реакцията.

Микрокристалоскопски анализ

Микрокристалоскопският метод за анализ се основава на откриването на катиони и аниони чрез реакция, която води до образуването на съединение с характерна кристална форма.

Преди това този метод се използваше при качествен микрохимичен анализ. Понастоящем се използва и при капков анализ.

Използва се микроскоп за изследване на образуваните кристали при микрокристалоскопски анализ.

Кристалите с характерна форма се използват при работа с чисти вещества чрез добавяне на капка разтвор или кристал от реактив към капка от тестваното вещество, поставена върху предметно стъкло. След известно време се появяват ясно видими кристали с определена форма и цвят.

Метод на смилане на прах

За откриване на определени елементи понякога се използва методът на смилане на прахообразен аналит с твърд реагент в порцеланова чиния. Елементът, който се отваря, се открива чрез образуването на характерни съединения, които се различават по цвят или мирис.

Методи за анализ, базирани на нагряване и сливане на материя

Пирохимичен анализ. За анализ на вещества се използват и методи, базирани на нагряване на изпитваното твърдо вещество или неговото сливане с подходящи реактиви. При нагряване някои вещества се топят при определена температура, други се сублимират и върху студените стени на устройството се появява утаяване, характерно за всяко вещество; някои съединения се разпадат при нагряване, отделяйки газообразни продукти и др.

При нагряване на аналита в смес с подходящи реагенти протичат реакции, които са придружени от промяна на цвета, отделяне на газообразни продукти и образуване на метали.

Спектрален качествен анализ

В допълнение към гореописания метод за наблюдение с невъоръжено око на оцветяването на безцветен пламък, когато в него се въведе платинена тел с анализирано вещество, понастоящем широко се използват други методи за изследване на светлината, излъчвана от горещи пари или газове. Тези методи се основават на използването на специални оптични инструменти, чието описание е дадено в курса по физика. В този вид спектрални устройства светлината с различни дължини на вълната, излъчвана от проба от вещество, нагрята в пламък, се разлага на спектър.

В зависимост от начина на наблюдение на спектъра, спектралните инструменти се наричат ​​спектроскопи, с помощта на които спектърът се наблюдава визуално, или спектрографи, в които спектрите се фотографират.

Хроматографски метод за анализ

Методът се основава на селективната абсорбция (адсорбция) на отделни компоненти на анализираната смес от различни адсорбенти. Адсорбентите са твърди вещества, върху чиято повърхност се абсорбира адсорбираното вещество.

Същността на хроматографския метод за анализ е накратко следната. Разтвор на смес от вещества, които трябва да се разделят, преминава през стъклена тръба (адсорбционна колона), пълна с адсорбент.

Кинетични методи за анализ

Методите за анализ, базирани на измерване на скоростта на реакцията и използването на нейната стойност за определяне на концентрацията, се обединяват под общото наименование кинетични методи за анализ (K. B. Yatsimirsky).

Качественото откриване на катиони и аниони чрез кинетични методи се извършва доста бързо и сравнително просто, без използването на сложни инструменти.

Изследването на веществата е доста сложен и интересен въпрос. В края на краищата те почти никога не се срещат в природата в чист вид. Най-често това са смеси със сложен състав, при които разделянето на компонентите изисква определени усилия, умения и оборудване.

След разделянето е също толкова важно правилно да се определи дали веществото принадлежи към определен клас, тоест да се идентифицира. Определете точките на кипене и топене, изчислете молекулното тегло, тествайте за радиоактивност и така нататък, като цяло, изследвания. За тази цел се използват различни методи, включително физикохимични методи за анализ. Те са доста разнообразни и обикновено изискват използването на специално оборудване. Те ще бъдат обсъдени допълнително.

Физико-химични методи за анализ: обща концепция

Какви са тези методи за идентифициране на съединения? Това са методи, които се основават на пряката зависимост на всички физични свойства на веществото от неговия структурен химичен състав. Тъй като тези показатели са строго индивидуални за всяко съединение, физикохимичните методи на изследване са изключително ефективни и дават 100% резултат при определяне на състава и други показатели.

По този начин следните свойства на дадено вещество могат да бъдат взети като основа:

• способност за абсорбиране на светлина;
• топлопроводимост;
• електропроводимост;
• температура на кипене;
• топене и други параметри.

Физикохимичните методи за изследване имат значителна разлика от чисто химичните методи за идентифициране на вещества. В резултат на тяхната работа не възниква реакция, тоест трансформация на вещество, обратима или необратима. По правило съединенията остават непокътнати както по маса, така и по състав.

Характеристики на тези методи на изследване

Има няколко основни характеристики, характерни за такива методи за определяне на вещества.

1. Изследователската проба не е необходимо да се почиства от примеси преди процедурата, тъй като оборудването не изисква това.
2. Физикохимичните методи за анализ имат висока степен на чувствителност, както и повишена селективност. Следователно, много малко количество от тестовата проба е необходимо за анализ, което прави тези методи много удобни и ефективни. Дори и да е необходимо да се определи елемент, който се съдържа в пренебрежимо малки количества в общата мокра маса, това не е пречка за посочените методи.
3. Анализът отнема само няколко минути, така че друга особеност е неговата краткотрайност или изразителност.
4. Разглежданите методи на изследване не изискват използването на скъпи индикатори.

Очевидно предимствата и характеристиките са достатъчни, за да направят физикохимичните методи за изследване универсални и търсени в почти всички изследвания, независимо от сферата на дейност.

Класификация

Могат да бъдат идентифицирани няколко характеристики, въз основа на които се класифицират разглежданите методи. Ние обаче ще представим най-общата система, която обединява и обхваща всички основни методи на изследване, свързани пряко с физикохимичните.

1. Електрохимични методи за изследване. Въз основа на измервания параметър те се разделят на:

• потенциометрия;
• волтаметрия;
• полярография;
• осцилометрия;
• кондуктометрия;
• електрогравиметрия;
• кулонометрия;
• амперометрия;
• диелкометрия;
• високочестотна кондуктометрия.

2. Спектрален. Включете:

• оптичен;
• рентгенова фотоелектронна спектроскопия;
• електромагнитен и ядрено-магнитен резонанс.

3. Топлинна. Разделена на:

• топлинна;
• термогравиметрия;
• калориметрия;
• енталпиметрия;
• делатометрия.

4. Хроматографски методи, които са:

• газ;
• седиментен;
• гел проникващ;
• обмен;
• течност.

Също така е възможно физикохимичните методи за анализ да се разделят на две големи групи. Първите са тези, които водят до разрушаване, тоест пълно или частично унищожаване на вещество или елемент. Вторият е без разрушаване, запазвайки целостта на тестовата проба.

Практическо приложение на такива методи

Областите на използване на разглежданите методи на работа са доста разнообразни, но всички те, разбира се, по един или друг начин са свързани с науката или технологиите. Като цяло можем да дадем няколко основни примера, от които ще стане ясно защо са необходими точно такива методи.

1. Контрол върху протичането на сложни технологични процеси в производството. В тези случаи е необходимо оборудване за безконтактен контрол и проследяване на всички структурни звена в работната верига. Същите тези инструменти ще записват проблеми и неизправности и ще предоставят точен количествен и качествен доклад за коригиращи и превантивни мерки.
2. Провеждане на химическа практическа работа с цел качествено и количествено определяне на добива на реакционния продукт.
3. Изследване на проба от вещество за определяне на точния му елементен състав.
4. Определяне на количеството и качеството на примесите в общата маса на пробата.
5. Точен анализ на междинни, основни и второстепенни участници в реакцията.
6. Подробен доклад за структурата на дадено вещество и свойствата, които проявява.
7. Откриване на нови елементи и получаване на данни, характеризиращи техните свойства.
8. Практическо потвърждение на теоретичните данни, получени емпирично.
9. Аналитична работа с вещества с висока чистота, използвани в различни области на техниката.
10. Титруване на разтвори без използване на индикатори, което дава по-точен резултат и има напълно опростено управление, благодарение на работата на уреда. Тоест влиянието на човешкия фактор е сведено до нула.
11. Основните физикохимични методи за анализ позволяват да се изследва съставът на:

• минерали;
• минерал;
• силикати;
• метеорити и чужди тела;
• метали и неметали;
• сплави;
• органични и неорганични вещества;
• единични кристали;
• редки и микроелементи.

Области на използване на методите

• ядрената енергия;
• физика;
• химия;
• радиоелектроника;
• лазерна технология;
• космически изследвания и други.

Класификацията на физикохимичните методи за анализ само потвърждава колко изчерпателни, точни и универсални са те за използване в научните изследвания.

Електрохимични методи

Основата на тези методи са реакции във водни разтвори и върху електроди под въздействието на електрически ток, т.е. с прости думи електролиза. Съответно видът енергия, който се използва в тези методи за анализ, е потокът от електрони.

Тези методи имат своя собствена класификация на физикохимичните методи за анализ. Тази група включва следните видове.

1. Електрически гравиметричен анализ. Въз основа на резултатите от електролизата маса от вещества се отстранява от електродите, която след това се претегля и анализира. Така се получават данни за масата на съединенията. Една от разновидностите на такава работа е методът на вътрешна електролиза.
2. Полярография. Основава се на измерване на силата на тока. Именно този индикатор ще бъде пряко пропорционален на концентрацията на желаните йони в разтвора. Амперометричното титруване на разтвори е разновидност на разглеждания полярографски метод.
3. Кулонометрията се основава на закона на Фарадей. Измерва се количеството електроенергия, изразходвано за процеса, от което след това се пристъпва към изчисляване на йоните в разтвора.
4. Потенциометрия – базира се на измерване на електродните потенциали на участниците в процеса.

Всички разглеждани процеси са физични и химични методи за количествен анализ на вещества. С помощта на електрохимични методи за изследване смесите се разделят на съставните им компоненти и се определя количеството на мед, олово, никел и други метали.

Спектрален

Тя се основава на процесите на електромагнитно излъчване. Съществува и класификация на използваните методи.

1. Пламъчна фотометрия. За да направите това, тестваното вещество се впръсква в открит пламък. Много метални катиони дават определен цвят, така че идентифицирането им е възможно по този начин. Това са основно вещества като: алкални и алкалоземни метали, мед, галий, талий, индий, манган, олово и дори фосфор.
2. Абсорбционна спектроскопия. Включва два вида: спектрофотометрия и колориметрия. Основата е определянето на спектъра, абсорбиран от веществото. Той действа както във видимата, така и в горещата (инфрачервената) част на радиацията.
3. Турбидиметрия.
4. Нефелометрия.
5. Луминесцентен анализ.
6. Рефрактометрия и полярометрия.

Очевидно всички методи, разглеждани в тази група, са методи за качествен анализ на дадено вещество.

Емисионен анализ

Това причинява излъчване или поглъщане на електромагнитни вълни. Въз основа на този показател може да се прецени качественият състав на веществото, т.е. кои специфични елементи са включени в състава на пробата за изследване.

Хроматографски

Физикохимичните изследвания често се провеждат в различни среди. В този случай хроматографските методи стават много удобни и ефективни. Те са разделени на следните видове.

1. Адсорбционна течност. Основава се на различните адсорбционни способности на компонентите.
2. Газова хроматография. Също така въз основа на адсорбционния капацитет, само за газове и вещества в състояние на пара. Използва се при масово производство на съединения в подобни агрегатни състояния, когато продуктът излиза в смес, която трябва да се раздели.
3. Разпределителна хроматография.
4. Редокс.
5. Йонообмен.
6. Хартия.
7. Тънък слой.
8. Седиментни.
9. Адсорбция-комплексообразуване.

Термичен

Физикохимичните изследвания също включват използването на методи, базирани на топлината на образуване или разлагане на веществата. Такива методи също имат своя собствена класификация.

1. Термичен анализ.
2. Термогравиметрия.
3. Калориметрия.
4. Енталпометрия.
5. Дилатометрия.

Всички тези методи позволяват да се определи количеството топлина, механичните свойства и енталпията на веществата. Въз основа на тези показатели се определя количествено съставът на съединенията.

Методи на аналитичната химия

Този раздел на химията има свои собствени характеристики, тъй като основната задача, пред която са изправени анализаторите, е качественото определяне на състава на веществото, тяхната идентификация и количествено отчитане. В тази връзка аналитичните методи за анализ се разделят на:

• химически;
• биологични;
• физико-хим.

Тъй като се интересуваме от последните, ще разгледаме кои от тях се използват за определяне на вещества.

Основните видове физикохимични методи в аналитичната химия

1. Спектроскопични - всички същите като тези, обсъдени по-горе.
2. Масспектрален – базира се на действието на електрически и магнитни полета върху свободни радикали, частици или йони. Лаборантите по физикохимичен анализ осигуряват комбинирания ефект на определените силови полета и частиците се разделят на отделни йонни потоци въз основа на съотношението на заряд и маса.
3. Радиоактивни методи.
4. Електрохимия.
5. Биохимичен.
6. Термичен.

Какво можем да научим за веществата и молекулите от такива методи на обработка? Първо, изотопният състав. А също: продукти на реакцията, съдържанието на определени частици в особено чисти вещества, масите на търсените съединения и други неща, полезни за учените.

По този начин методите на аналитичната химия са важни начини за получаване на информация за йони, частици, съединения, вещества и техния анализ.

Аналитична химия и химичен анализ

Химичен анализ

Химичен анализнаречено получаване на информация за състава и структурата на веществата,независимо от това как точно се получава такава информация .

Някои методи (методи) за анализ се основават на провеждане на химични реакции със специално добавени реагенти, в други химичните реакции играят спомагателна роля, а трети изобщо не са свързани с хода на реакциите. Но резултатът от анализа във всеки случай е информация за химическисъставът на веществото, т.е. естеството и количественото съдържание на съставните му атоми и молекули. Това обстоятелство се подчертава с използването на прилагателното „химичен“ във фразата „химичен анализ“.

Стойността на анализа.С помощта на химични аналитични методи са открити химични елементи, подробно са изследвани свойствата на елементите и техните съединения и е определен съставът на много природни вещества. Многобройни анализи позволиха да се установят основните закони на химията (законът за постоянството на състава, законът за запазване на масата на веществата, законът за еквивалентите и др.) И потвърдиха атомно-молекулярната теория. Анализът се превърна в средство за научни изследвания не само в химията, но и в геологията, биологията, медицината и други науки. Значителна част от знанията за природата, които човечеството е натрупало от времето на Бойл, са получени именно чрез химичен анализ.

Възможностите на анализаторите нарастват рязко през втората половина на 19 век и особено през 20 век, когато много физическиметоди за анализ. Те направиха възможно решаването на проблеми, които не могат да бъдат решени с класически методи. Ярък пример са знанията за състава на Слънцето и звездите, получени в края на 19 век чрез метода на спектралния анализ. Също толкова ярък пример в началото на 20-ти и 21-ви век беше дешифрирането на структурата на един от човешките гени. В този случай първоначалната информация е получена чрез масспектрометрия.

Аналитичната химия като наука

През г. се формира науката „аналитична химия“. XVIII – XIX век. Има много определения („дефиниции“) на тази наука . Най-краткото и очевидно е следното: „ Аналитичната химия е наука за определяне на химичния състав на веществата ” .

Може да се даде по-точно и подробно определение:

Аналитичната химия е наука, която разработва обща методология, методи и средства за изследване на химичния състав (както и структурата) на веществата и разработва методи за анализ на различни обекти.

Обект и насоки на изследване. Обект на изследване на практикуващите анализатори са специфични химични вещества

Изследванията в областта на аналитичната химия в Русия се извършват главно в изследователски институти и университети. Целите на тези изследвания:

• разработване на теоретични основи на различни методи за анализ;
• създаване на нови методи и техники, разработване на аналитични инструменти и реактиви;
• решаване на специфични аналитични проблеми с голямо икономическо или социално значение. Примери за такива проблеми: създаването на аналитични методи за контрол на ядрената енергия и за производството на полупроводникови устройства (тези проблеми бяха успешно решени през 50-70-те години на ХХ век); разработването на надеждни методи за оценка на причиненото от човека замърсяване на околната среда (този проблем в момента се решава).

1.2.Видове анализ

Видовете анализи са много разнообразни. Те могат да бъдат класифицирани по различни начини: по естеството на получената информация, по обектите на анализ и обектите на определяне, по необходимата точност и продължителност на единичен анализ, както и по други характеристики.

Класификация според характера на получената информация.Разграничете качественИ количествен анализ.В първия случай разберете от какво се състои дадено вещество, какви точно са неговите компоненти ( Компоненти) влизат в състава му. Във втория случай се определя количественото съдържание на компонентите, изразявайки го под формата на масова част, концентрация, моларно съотношение на компонентите и др.

Класификация по обекти на анализ. Всяка област на човешката дейност има традиции обекти на анализ. Така в промишлеността се изучават суровини, готови продукти, междинни продукти и производствени отпадъци. Обекти агрохимикаланализи са почви, торове, фуражи, зърно и други селскостопански продукти. В медицината извършват клиничнианализ, неговите обекти - кръв, урина, стомашен сок, различни тъкани, издишан въздух и много други. Провеждат специалисти от органите на реда криминалистикаанализ (анализ на печатарско мастило за откриване на фалшиви документи; анализ на лекарства; анализ на фрагменти, намерени на мястото на пътнотранспортно произшествие и др.). Като се има предвид естеството на изследваните обекти, се разграничават и други видове анализ, например анализът на лекарства ( фармацевтичнианализ), природни и отпадъчни води ( хидрохимиченанализ), анализ на петролни продукти, строителни материали и др.

Класификация по обекти на дефиниране.Подобни термини не трябва да се бъркат - анализирамИ определи.Това не са синоними! Така че, ако се интересуваме дали има желязо в кръвта на човек и какъв е неговият процент, тогава кръвта е обект на анализи желязото - обект на дефиниране.Разбира се, желязото също може да стане обект на анализ - ако определим примеси на други елементи в парче желязо. Обекти на дефиниранепосочете онези компоненти на изследвания материал, чието количествено съдържание трябва да се установи. Обектите на дефиниране са не по-малко разнообразни от обектите на анализ. Като се вземе предвид естеството на определяния компонент, се разграничават различни видове анализи (Таблица 1). Както може да се види от тази таблица, самите обекти за откриване или дефиниране (те се наричат ​​още аналити) принадлежат към различни нива на структуриране на материята (изотопи, атоми, йони, молекули, групи от молекули със сходна структура, фази).

Маса 1.

Класификация на видовете анализ според обектите на определяне или откриване

Тип анализ	Обект на определяне или откриване (аналит)	Пример	Област на приложение
Изотопни	Атоми с дадени стойности на ядрен заряд и масово число (изотопи)	137 Cs, 90 старши, 235 U	Ядрена енергия, контрол на замърсяването на околната среда, медицина, археология и др.
Елементарно	Атоми с дадени стойности на ядрен заряд (елементи)	Cs, старши, у Cr, Fe, Hg	навсякъде
истински	Атоми (йони) на елемент в дадено състояние на окисление или в съединения с даден състав (форма на елемента)	Сr(III), Fe2+, Hg като част от сложни съединения	Химическа технология, контрол на замърсяването на околната среда, геология, металургия и др.
Молекулярна	Молекули със зададен състав и структура	Бензол, глюкоза, етанол	Медицина, екологичен контрол, агрохимия, химия. технология, криминалистика.
Структурна група или функционален	Сума от молекули с дадени структурни характеристики и подобни свойства	Наситени въглеводороди, монозахариди, алкохоли	Химическа технология, хранителна промишленост, медицина.
Фаза	Отделна фаза или елемент в дадена фаза	Графит в стомана, кварц в гранит	Металургия, геология, технология на строителните материали.

По време на елементен анализидентифицират или определят количествено този или онзи елемент, независимо от степента му на окисление или включването му в състава на определени молекули. Пълният елементен състав на изследвания материал се определя в редки случаи. Обикновено е достатъчно да се определят някои елементи, които значително влияят върху свойствата на обекта, който се изследва.

истинскианализът започна да се разграничава като независим тип наскоро, преди това се считаше за част от елементарния. Целта на анализа на материала е отделно да се определи съдържанието на различни форми на един и същ елемент. Например съдържанието на хром (III) и хром (VI) в отпадъчните води. В петролните продукти „сулфатна сяра“, „свободна сяра“ и „сулфидна сяра“ се дефинират отделно. Изследвайки състава на природните води, те откриват каква част от живака съществува под формата на силни комплексни и елементоорганични съединения и каква част - под формата на свободни йони. Тези проблеми са много по-трудни от задачите за елементен анализ.

Молекулярен анализе особено важно при изследване на органични вещества и материали от биогенен произход.Например може да бъде определянето на бензен в бензин или ацетон в издишвания въздух. В такива случаи е необходимо да се вземе предвид не само съставът, но и структурата на молекулите. В крайна сметка, изследваният материал може да съдържа изомери и хомолози на определяния компонент. Следователно съдържанието на глюкоза обикновено трябва да се определя в присъствието на нейните изомери и други свързани съединения, като захароза.

Класификация според точността, продължителността и цената на анализите.Извиква се опростен, бърз и евтин вариант за анализ експресен анализ. Често се използва тук методи за изпитване . Например, всяко лице (не анализатор) може да оцени съдържанието на нитрати в зеленчуците (захар в урината, тежки метали в питейната вода и т.н.) с помощта на специален тестов инструмент - индикаторна хартия. Съдържанието на необходимия компонент се определя с помощта на цветовата скала, предоставена с хартията. Резултатът ще бъде видим с просто око и разбираем за неспециалист. Тестовите методи не изискват доставка на пробата в лабораторията или обработка на тестовия материал; Тези методи не използват скъпо оборудване и не извършват изчисления. Важно е само резултатът от метода за изпитване да не зависи от наличието на други компоненти в изпитвания материал, като за това е необходимо реагентите, с които се импрегнира хартията при нейното производство, да бъдат специфични. Много е трудно да се гарантира специфичността на методите за изпитване и този вид анализи стана широко разпространен едва през последните години на ХХ век. Разбира се, методите за изпитване не могат да осигурят висока точност на анализа, но това не винаги е необходимо.

Точно обратното на експресния анализ - арбитражанализ ч.Основното изискване към него е да осигури възможно най-голяма точност на резултатите. Рядко се извършват арбитражни анализи (например за разрешаване на конфликт между производителя и потребителя на някои продукти). За извършването на такива анализи се ангажират най-квалифицираните изпълнители, използват се най-надеждните и многократно доказани методи. Времето за изпълнение и цената на такъв анализ не са от основно значение.

Междинно място между експресния и арбитражния анализ по точност, продължителност, цена и други показатели заемат рутинни тестове. По-голямата част от анализите, извършвани във фабрични и други контролни и аналитични лаборатории са от този тип.

1.3.Методи за анализ

Класификация на методите. Понятието „метод на анализ“ се използва, когато искат да идентифицират същността на конкретен анализ, неговия основен принцип. Методът за анализ е доста универсален и теоретично базиран метод за провеждане на анализ, коренно различен от другите методи по своята цел и основен принцип, независимо кой компонент се определя и какво точно се анализира.Същият метод може да се използва за анализ на различни обекти и за определяне на различни аналити .

Има три основни групи методи (фиг. 1). Някои от тях са насочени предимно към разделяне на компонентите на изследваната смес (последващ анализ без тази операция се оказва неточен или дори невъзможен). По време на разделянето обикновено се получава концентрация на определяните компоненти (виж глава 8). Пример за това са методите за екстракция или йонообменните методи. По време на качествения анализ се използват други методи, които служат за надеждна идентификация (идентификация) на компонентите, които ни интересуват. Третият, най-многобройният, е предназначен за количествено определяне на компонентите. Извикват се съответните групи методи за разделяне и концентриране, методи за идентификация и методи за определяне.Методите на първите две групи, като правило, , играят спомагателна роля.От най-голямо значение за практиката са методи за определяне.

Физико-химични

Фиг. 1. Класификация на методите за анализ

Освен трите основни групи има хибрид методи. На фиг. 1. те не са показани. При хибридните методи разделянето, идентифицирането и определянето на компонентите са органично комбинирани в едно устройство (или в един комплекс от инструменти). Най-важният от тези методи е хроматографскианализ. В специално устройство (хроматограф) компонентите на пробата (смес) се разделят, докато се движат с различна скорост през колона, пълна с твърд прах (сорбент). По времето, когато даден компонент напусне колоната, неговата природа се преценява и по този начин всички компоненти на пробата се идентифицират. Излизащите от колоната компоненти един по един влизат в друга част на устройството, където специално устройство - детектор измерва и записва сигналите на всички компоненти. Често сигналите се присвояват автоматично на определени вещества, както и се изчислява съдържанието на всеки компонент от пробата. Ясно е, че хроматографскианализът не може да се разглежда само като метод за разделяне на компонентите или само като метод за количествено определяне, той е именно хибриден метод.

1.4. Методи за анализ и изисквания към тях

Не трябва да се бъркат понятията методИ техники.

Методологията е ясно и подробно описание на това как трябва да се извърши анализ, прилагайки някакъв метод за решаване на конкретен аналитичен проблем.

Обикновено методът се разработва от специалисти, преминава предварителни изпитвания и метрологична сертификация, официално е регистриран и одобрен.Наименованието на метода показва използвания метод, обекта на определяне и обекта на анализ

Да вдигнеш оптимален(най-добра) техника, във всеки случай трябва да се вземат предвид редица практически изисквания.

1. T точност. Това е основното изискване. Това означава, че относителната или абсолютната грешка на анализа не трябва да надвишава определена гранична стойност

2. Чувствителност. Тази дума в разговорната реч се заменя с по-строги термини „граница на откриване“ и „долна граница на откриваеми концентрации“" Високочувствителните методи са тези, чрез които можем да открием и идентифицираме компонент дори когато съдържанието му в изследвания материал е ниско. Колкото по-ниско е очакваното съдържание, толкова по-чувствителна е техниката. .

3. Избирателност (селективност).Важно е резултатът от анализа да не се влияе от чужди вещества, включени в пробата.

4. Експресивност . Говорим за продължителността на анализ на една проба – от вземането на пробата до издаване на заключение. Колкото по-бързо се получат резултатите, толкова по-добре.

5.C цена.Тази характеристика на техниката не изисква коментар. Само относително евтини анализи могат да се използват в масов мащаб. Цената на аналитичния контрол в индустрията обикновено не надвишава 1% от себестойността на продукта. Уникалните по своята сложност и рядко извършвани анализи са много скъпи.

Има и други изисквания към методологията - безопасност на анализа, възможност за извършване на анализ без пряко човешко участие, устойчивост на резултатите към случайни колебания в условията и др.

1.5. Основни етапи (етапи) на количествения анализ

Техниката за количествен анализ може мислено да бъде разделена на няколко последователни етапа (етапи) и почти всяка техника има същите етапи. Съответната логическа диаграма на анализа е показана на фиг.1.2 Основните стъпки при провеждането на количествен анализ са: формулиране на аналитичния проблем и избор на методология, вземане на проби, приготвяне на пробата, измерване на сигнала, изчисляване и представяне на резултатите.

Постановка на аналитичния проблем и избор на методология. Работата на специалист анализатор обикновено започва с получаване поръчказа анализ. Появата на такъв ред обикновено е резултат от професионалната дейност на други специалисти, появата на някои проблеми. Такъв проблем може да бъде например диагностика, установяване на причината за дефект по време на производството на някои продукти, определяне на автентичността на музеен експонат, възможността за наличие на някакво токсично вещество в чешмяната вода и др. Въз основа на информация, получена от специалист (химик-органик, индустриален инженер, геолог, зъболекар, следовател от прокуратурата, агроном, археолог и др.), анализаторът трябва да формулира аналитичен проблем. Естествено, трябва да се съобразим с възможностите и желанията на „клиента“. Освен това е необходимо да се събере допълнителна информация (предимно за качествения състав на материала, който ще трябва да бъде анализиран).

Поставянето на аналитичен проблем изисква много висококвалифициран анализатор и е най-трудната част от предстоящото изследване. Не е достатъчно да се определи какъв материал ще трябва да се анализира и какво точно трябва да се определи в него. Необходимо е да се разбере при какво ниво на концентрация ще трябва да се извърши анализът, какви чужди компоненти ще присъстват в пробите, колко често ще трябва да се извършват анализите, колко време и пари могат да бъдат изразходвани за един анализ , дали ще е възможно пробите да се доставят в лабораторията или ще се наложи анализът да се извършва директно „на място“, дали ще има ограничения за тегло и възпроизводимостсвойства на изследвания материал и др. Най-важното е, че трябва да разберете: каква точност на резултатите от анализа ще трябва да се осигури и как ще бъде постигната такава точност!

Ясно формулираният аналитичен проблем е основа за избор на оптимална методология. Търсенето се извършва с помощта на колекции от нормативни документи (включително стандартни методи), справочници и прегледи на отделни обекти или методи. Например, ако ще определят съдържанието на петролни продукти в отпадъчните води с помощта на фотометричен метод, тогава те разглеждат монографии, посветени, първо, на фотометричен анализ, второ, методи за анализ на отпадъчни води и трето, различни методи за определяне на петролни продукти . Има поредица от книги, всяка от които е посветена на аналитичната химия на даден елемент. Издадени са ръководства по отделни методики и по отделни обекти на анализ. Ако не е било възможно да се намерят подходящи методи в справочници и монографии, търсенето продължава с помощта на абстрактни и научни списания, интернет търсачки, консултации със специалисти и др. След избор на подходящи методи се избира този, който най-добре отговаря на аналитичната задача .

Често за решаване на конкретен проблем не само няма стандартни методи, но изобщо няма предварително описани технически решения (особено сложни аналитични проблеми, уникални обекти). Тази ситуация често се среща при провеждане на научни изследвания.В тези случаи трябва сами да разработите техника за анализ. Но когато извършвате анализи по собствени методи, трябва особено внимателно да проверите правилността на получените резултати.

Вземане на проби. Разработете метод за анализ, който би позволил измерваме концентрацията на интересуващия ни компонент директнов изследвания обект, той е доста рядък. Пример за това е сензор за съдържание на въглероден диоксид във въздуха, който е инсталиран в подводници и други затворени пространства.Много по-често се взема малка част от материала, който се изучава - проба- и го предайте в аналитичната лаборатория за допълнителни изследвания. Пробата трябва да бъде Представител(представителен), т.е. неговите свойства и състав трябва приблизително да съвпадат със свойствата и състава на материала, който се изследва като цяло.За газообразни и течни обекти на анализ е доста лесно да се вземе представителна проба, тъй като те са хомогенни . Просто трябва да изберете правилното време и място за избор. Например при вземане на водни проби от водоем се взема предвид, че водата в повърхностния слой се различава по състав от водата от дънния слой, водата в близост до бреговете е по-замърсена, съставът на речната вода не е едно и също в различни периоди от годината и т.н. В големите градове пробите от атмосферния въздух се вземат, като се вземат предвид посоката на вятъра и местоположението на източниците на емисии на примеси. Вземането на проби не създава проблеми дори когато се изследват чисти химикали, дори твърди вещества или хомогенни фини прахове.

Много по-трудно е да се избере правилно представителна проба от разнородно твърдо вещество (почва, руда, въглища, зърно и др.). Ако вземете почвени проби на различни места от едно и също поле, или от различни дълбочини, или по различно време, резултатите от анализа на един и същи тип проби ще се окажат различни. Те могат да се различават няколко пъти, особено ако самият материал е разнороден и се състои от частици с различен състав и размер.

Въпросът се усложнява от факта, че вземането на проби често се извършва не от самия анализатор, а от недостатъчно квалифицирани работници или, което е много по-лошо, от лица, заинтересовани от получаване на определен резултат от анализа. Така в историите на М. Твен и Брет Харт е описано колоритно как, преди да продаде златоносно място, продавачът се стреми да избере за анализ парчета скала с очевидни включвания на злато, а купувачът - празна скала. Не е изненадващо, че резултатите от съответните анализи дават обратното, но и в двата случая неправилно характеризиране на изследваната област.

За да се гарантира коректността на резултатите от анализа, за всяка група обекти са разработени и приети специални правила и схеми за вземане на проби. Пример за това е анализът на почвата. В този случай трябва да изберете някоиголеми части от тестовия материал на различни места от района на изследване и след това ги комбинирайте. Предварително се изчислява колко точки за вземане на проби трябва да има и на какво разстояние една от друга трябва да бъдат разположени тези точки. Посочено е от каква дълбочина трябва да се вземе всяка порция почва, каква маса трябва да бъде и т.н. Има дори специална математическа теория, която ви позволява да изчислите минималната маса на комбинираната проба, като вземете предвид размера на частиците , разнородността на техния състав и др. Колкото по-голяма е масата на пробата, толкова по-представителна е тя; следователно, за нехомогенен материал, общата маса на комбинираната проба може да достигне десетки и дори стотици килограми. Обединената проба се изсушава, раздробява, разбърква старателно и количеството на изследвания материал постепенно се намалява (за целта има специални техники и устройства), но дори и след многократно редуциране теглото на пробата може да достигне няколкостотин грама. Редуцираната проба се доставя в лабораторията в херметически затворен контейнер. Там те продължават да смилат и смесват тестовия материал (за да осреднят състава) и едва след това вземат претеглена част от осреднената проба на аналитична везна за по-нататъшен анализ. приготвяне на пробатаи последващо измерване на сигнала.

Вземането на проби е най-важният етап от анализа, тъй като грешките, възникващи на този етап, са много трудни за коригиране или отчитане. Грешките при вземане на проби често са основният фактор за общата аналитична несигурност. Ако вземането на проби е неправилно, дори идеалното изпълнение на следващите операции няма да помогне - вече няма да е възможно да се получи правилният резултат.

приготвяне на пробата . Това е сборното наименование за всички операции, на които се подлага дадена проба, доставена там, в лабораторията преди измерване на аналитичния сигнал. По време на приготвяне на пробатаизвършват различни операции: изпаряване, сушене, калциниране или изгаряне на пробата, нейното разтваряне във вода, киселини или органични разтворители, предварително окисляване или редукция на определяния компонент със специално добавени реагенти, отстраняване или маскиране на интерфериращи примеси. Често е необходимо да се концентрира определяният компонент - от проба с голям обем, компонентът се прехвърля количествено в малък обем разтвор (концентрат), където след това се измерва аналитичният сигнал. Пробни компоненти с подобни свойства по време на приготвяне на пробатаопитват се да ги отделят един от друг, за да определят по-лесно концентрацията на всеки поотделно. приготвяне на пробатаизисква повече време и труд, отколкото други операции за анализ; доста трудно се автоматизира. Трябва да се помни, че всяка операция приготвяне на пробата- това е допълнителен източник на грешки в анализа. Колкото по-малко такива операции има, толкова по-добре. Идеалните методи са тези, които не включват сцената приготвяне на пробата(„дойде, измери, изчисли“), но има сравнително малко такива методи.

Аналитично измерване на сигнала изисква използването на подходящи измервателни инструменти, предимно прецизни инструменти (везни, потенциометри, спектрометри, хроматографи и др.), както и предварително калибрирани измервателни прибори. Измервателните уреди трябва да бъдат сертифицирани („проверени“), тоест трябва да се знае предварително каква максимална грешка може да се получи чрез измерване на сигнал с това устройство. В допълнение към инструментите, измерванията на сигнали в много случаи изискват стандарти с известен химичен състав (проби за сравнение, например проби от държавни стандарти). Те се използват за калибриране на методологията (виж Глава 5), проверка и настройка на инструментите. Резултатът от анализа също се изчислява с помощта на стандарти.

Изчисляване и представяне на резултатите - най-бързият и лесен етап на анализ. Просто трябва да изберете подходящия метод за изчисление (използвайки една или друга формула, по график и т.н.). Така, за да се определи съдържанието на уран в уранова руда, радиоактивността на пробата се сравнява с радиоактивността на стандартна проба (руда с известно съдържание на уран) и след това съдържанието на уран в пробата се намира чрез решаване на обичайната пропорция. Този прост метод обаче не винаги е подходящ и използването на неподходящ алгоритъм за изчисление може да доведе до сериозни грешки. Някои методи за изчисление са много сложни и изискват използването на компютър. В следващите глави ще бъдат описани подробно методите за изчисление, използвани в различните методи за анализ, техните предимства и условията за приложимост на всеки метод. Резултатите от анализа трябва да бъдат статистически обработени. Всички данни, свързани с анализа на дадена проба, се отразяват в лабораторния журнал, а резултатът от анализа се вписва в специален протокол. Понякога самият аналитик сравнява резултатите от анализа на няколко вещества един с друг или с определени стандарти и прави значими заключения. Например за съответствието или несъответствието на качеството на изследвания материал с установените изисквания ( аналитичен контрол).

По-голямата част от информацията за веществата, техните свойства и химични трансформации е получена чрез химични или физикохимични експерименти. Следователно основният метод, използван от химиците, трябва да се счита за химичен експеримент.

Традициите на експерименталната химия са се развивали в продължение на векове. Дори когато химията не е била точна наука, в древността и през Средновековието учени и занаятчии, понякога случайно, а понякога целенасочено, са открили методи за получаване и пречистване на много вещества, използвани в стопански дейности: метали, киселини, основи , багрила и др. Алхимиците допринесоха много за натрупването на такава информация (виж Алхимия).

Благодарение на това до началото на 19в. химиците са били добре запознати с основите на експерименталното изкуство, особено методите за пречистване на всички видове течности и твърди вещества, което им е позволило да направят много важни открития. И все пак химията започва да се превръща в наука в съвременния смисъл на думата, в точна наука, едва през 19 век, когато е открит законът за множествените съотношения и се развива атомно-молекулярната наука. Оттогава химическият експеримент започва да включва не само изучаването на трансформациите на веществата и методите за тяхното изолиране, но и измерването на различни количествени характеристики.

Съвременният химичен експеримент включва много различни измервания. Променени са както оборудването за провеждане на експерименти, така и химическите стъклени съдове. В модерна лаборатория няма да намерите домашно изработени реторти - те са заменени от стандартно оборудване за стъкло, произведено от индустрията и адаптирано специално за извършване на определена химическа процедура. Методите на работа също станаха стандартни, които в наше време вече не трябва да се преоткриват от всеки химик. Описание на най-добрите от тях, доказано от дългогодишен опит, може да се намери в учебници и ръководства.

Методите за изследване на материята станаха не само по-универсални, но и много по-разнообразни. Все по-важна роля в работата на химика играят физичните и физикохимичните методи за изследване, предназначени за изолиране и пречистване на съединения, както и за установяване на техния състав и структура.

Класическата техника за пречистване на вещества е изключително трудоемка. Има случаи, когато химиците са прекарали години работа, за да изолират отделно съединение от смес. Така солите на редкоземните елементи могат да бъдат изолирани в чиста форма само след хиляди фракционни кристализации. Но дори и след това, чистотата на веществото не винаги може да бъде гарантирана.

Съвременните хроматографски методи позволяват бързо отделяне на вещество от примеси (препаративна хроматография) и проверка на химичната му идентичност (аналитична хроматография). В допълнение, за пречистване на веществата широко се използват класически, но силно подобрени методи на дестилация, екстракция и кристализация, както и такива ефективни съвременни методи като електрофореза, зоново топене и др.

Задачата, пред която е изправен химикът-синтетик след изолиране на чисто вещество - да установи състава и структурата на неговите молекули - се отнася до голяма степен за аналитичната химия. При традиционната техника на работа беше и много трудоемко. Почти единственият използван преди това метод за измерване беше елементен анализ, който позволява да се установи най-простата формула на съединение.

За да се определи истинската молекулна, както и структурна формула, често е необходимо да се изследват реакциите на вещество с различни реагенти; изолират продуктите от тези реакции в индивидуална форма, като на свой ред установяват тяхната структура. И така нататък - докато въз основа на тези трансформации структурата на неизвестното вещество стана очевидна. Следователно установяването на структурната формула на сложно органично съединение често отнемаше много време и такава работа се считаше за завършена, ако завърши с насрещен синтез - производството на ново вещество в съответствие с формулата, установена за него.

Този класически метод беше изключително полезен за развитието на химията като цяло. В наши дни се използва рядко. Като правило, изолирано неизвестно вещество след елементен анализ се изследва с помощта на масспектрометрия, спектрален анализ във видимия, ултравиолетовия и инфрачервения диапазон, както и ядрено-магнитен резонанс. За разумно извеждане на структурна формула е необходимо използването на цял комплекс от методи, като техните данни обикновено се допълват взаимно. Но в редица случаи конвенционалните методи не дават недвусмислен резултат и трябва да се прибегне до директни методи за определяне на структурата, например рентгенов дифракционен анализ.

Физикохимичните методи се използват не само в синтетичната химия. Те са не по-малко важни при изучаването на кинетиката на химичните реакции, както и на техните механизми. Основната задача на всеки експеримент за изследване на скоростта на реакцията е точното измерване на променящата се във времето и обикновено много малка концентрация на реагента. За да разрешите този проблем, в зависимост от естеството на веществото, можете да използвате хроматографски методи, различни видове спектрален анализ и електрохимични методи (вижте Аналитична химия).

Съвършенството на технологиите достигна толкова високо ниво, че стана възможно точно да се определи скоростта дори на „мигновени“, както се смяташе преди, реакции, например образуването на водни молекули от водородни катиони и аниони. При начална концентрация на двата йона, равна на 1 mol/l, времето на тази реакция е няколкостотин милиардни от секундата.

Физикохимичните изследователски методи са специално адаптирани за откриване на краткотрайни междинни частици, образувани по време на химични реакции. За да направите това, устройствата са оборудвани или с високоскоростни записващи устройства, или с приставки, които осигуряват работа при много ниски температури. Тези методи успешно записват спектрите на частици, чиято продължителност на живота при нормални условия се измерва в хилядни от секундата, например свободните радикали.

В допълнение към експерименталните методи, изчисленията се използват широко в съвременната химия. По този начин термодинамичното изчисление на реагираща смес от вещества позволява точно да се предвиди нейният равновесен състав (виж Химично равновесие).

Изчисленията на молекули, базирани на квантовата механика и квантовата химия, са станали общоприети и в много случаи незаменими. Тези методи се основават на много сложен математически апарат и изискват използването на най-модерните електронни изчислителни машини - компютри. Те правят възможно създаването на модели на електронната структура на молекулите, които обясняват наблюдаваните, измерими свойства на нестабилни молекули или междинни частици, образувани по време на реакции.

Методите за изследване на веществата, разработени от химици и физикохимици, са полезни не само в химията, но и в свързаните с нея науки: физика, биология, геология. Без тях не може нито индустрията, нито селското стопанство, нито медицината, нито криминалистиката. Физикохимичните инструменти заемат почетно място на космическите кораби, с помощта на които се изследват околоземното пространство и съседните планети.

Следователно познаването на основите на химията е необходимо за всеки човек, независимо от неговата професия, а по-нататъшното развитие на нейните методи е едно от най-важните направления на научно-техническата революция.