Značaj metoda hemijske analize. Kvantitativna analiza

Pregled predavanja:

1. Opće karakteristike fizičko-hemijskih metoda

2. Opće informacije o spektroskopskim metodama analize.

3. Fotometrijska metoda analize: fotokolorimetrija, kolorimetrija, spektrofotometrija.

4. Opće informacije o nefelometrijskim, luminiscentnim, polarimetrijskim metodama analize.

5. Refraktometrijska metoda analize.

6. Opće informacije o spektralnim i radiometrijskim analizama.

7. Elektrohemijske metode analize (potenciometrija, konduktometrija, kulometrija, amperometrija, polarografija).

8. Kromatografska metoda analize.

Suština fizičko-hemijskih metoda analize. Njihova klasifikacija.

Fizičko-hemijske metode analize, kao i hemijske, zasnivaju se na sprovođenju jedne ili druge hemijske reakcije. U fizičkim metodama, hemijske reakcije su odsutne ili su od sekundarnog značaja, iako u spektralnoj analizi intenzitet linija uvijek značajno ovisi o kemijskim reakcijama u ugljičnoj elektrodi ili u plamenu plina. Stoga se ponekad fizičke metode ubrajaju u grupu fizičko-hemijskih metoda, jer ne postoji dovoljno stroga nedvosmislena razlika između fizičkih i fizičko-hemijskih metoda, a izdvajanje fizičkih metoda u posebnu grupu nije od fundamentalnog značaja.

Hemijske metode analize nisu bile u stanju da zadovolje raznolike zahtjeve prakse, koji su se povećali kao rezultat naučnog i tehnološkog napretka, razvoja industrije poluvodiča, elektronike i računara, te široke upotrebe čistih i ultračistih supstanci u tehnici.

Upotreba fizičko-hemijskih metoda analize ogleda se u tehnohemijskoj kontroli proizvodnje hrane, u istraživačkim i proizvodnim laboratorijama. Ove metode karakterizira visoka osjetljivost i brza analiza. Oni se zasnivaju na upotrebi fizičkih i hemijskih svojstava supstanci.

Prilikom izvođenja analiza korištenjem fizičko-hemijskih metoda, tačka ekvivalencije (kraj reakcije) se ne određuje vizualno, već pomoću instrumenata koji bilježe promjene fizičkih svojstava ispitivane tvari u tački ekvivalencije. U tu svrhu obično se koriste uređaji s relativno složenim optičkim ili električnim krugovima, zbog čega se ove metode nazivaju metode instrumentalna analiza.

U mnogim slučajevima, ove metode ne zahtijevaju hemijsku reakciju da bi se izvršila analiza, za razliku od hemijskih metoda analize. Potrebno je samo izmjeriti pokazatelje bilo kakvih fizičkih svojstava analizirane tvari: električnu provodljivost, apsorpciju svjetlosti, prelamanje svjetlosti itd. Fizičko-hemijske metode omogućavaju kontinuirano praćenje sirovina, poluproizvoda i gotovih proizvoda u industriji.

Fizičko-hemijske metode analize počele su se koristiti kasnije od hemijskih metoda analize, kada je uspostavljena i proučavana veza između fizičkih svojstava supstanci i njihovog sastava.

Preciznost fizičko-hemijskih metoda uvelike varira u zavisnosti od metode. Ima najveću preciznost (do 0,001%) kulometrija, na osnovu mjerenja količine električne energije koja se troši na elektrohemijsku oksidaciju ili redukciju jona ili elemenata koji se određuju. Većina fizičko-hemijskih metoda ima grešku od 2-5%, što premašuje grešku hemijskih metoda analize. Međutim, takvo poređenje grešaka nije sasvim ispravno, jer se odnosi na različita područja koncentracije. Sa niskim sadržajem određene komponente (oko 10 -3% ili manje), klasične hemijske metode analize su uglavnom neprikladne; pri visokim koncentracijama, fizičko-hemijske metode se uspješno nadmeću s kemijskim. Među značajnim nedostacima većine fizičko-hemijskih metoda je obavezna dostupnost standarda i standardnih rješenja.

Među fizičko-hemijskim metodama, najveće praktične primjene su:

1. spektralne i druge optičke metode (refraktometrija, polarimetrija);

2. elektrohemijske metode analize;

3. hromatografske metode analize.

Osim toga, postoje još 2 grupe fizičkih i hemijskih metoda:

1. radiometrijske metode zasnovane na mjerenju radioaktivne emisije datog elementa;

2. masene spektrometrijske metode analize zasnovane na određivanju masa pojedinačnih jonizovanih atoma, molekula i radikala.

Najobimnija po broju metoda i značajna u smislu praktične vrijednosti je grupa spektralnih i drugih optičkih metoda. Ove metode se temelje na interakciji tvari s elektromagnetnim zračenjem. Postoji mnogo različitih vrsta elektromagnetnog zračenja: rendgensko zračenje, ultraljubičasto, vidljivo, infracrveno, mikrovalno i radiofrekventno. U zavisnosti od vrste interakcije elektromagnetnog zračenja sa materijom, optičke metode se klasifikuju na sledeći način.

Zasnovano na mjerenju efekata polarizacije molekula neke supstance refraktometrija, polarimetrija.

Analizirane supstance mogu apsorbovati elektromagnetno zračenje i, na osnovu upotrebe ovog fenomena, izdvaja se grupa apsorpcione optičke metode.

Apsorpcija svjetlosti atomima analita se koristi u analiza atomske apsorpcije. Sposobnost apsorpcije svjetlosti od strane molekula i jona u ultraljubičastim, vidljivim i infracrvenim područjima spektra omogućila je stvaranje molekularna apsorpciona analiza (kolorimetrija, fotokolorimetrija, spektrofotometrija).

Apsorpcija i raspršivanje svjetlosti suspendovanim česticama u rastvoru (suspenzija) dovelo je do pojave metoda turbidimetrija i nefelometrija.

Metode zasnovane na mjerenju intenziteta zračenja nastalog oslobađanjem energije pobuđenih molekula i atoma analita nazivaju se emisione metode. TO metode molekularne emisije uključuju luminescenciju (fluorescenciju) atomska emisija- emisiona spektralna analiza i plamena fotometrija.

Elektrohemijske metode analize se zasnivaju na mjerenju električne provodljivosti ( konduktometrija); potencijalna razlika ( potenciometrija); količina električne energije koja prolazi kroz rastvor ( kulometrija); ovisnost vrijednosti struje od primijenjenog potencijala ( volt-amperometrija).

Za grupu hromatografske metode analize uključuje metode plinske i plinsko-tečne hromatografije, particionu, tankoslojnu, adsorpcionu, jonsku izmjenu i druge vrste hromatografije.

Spektroskopske metode analize: opće informacije

Koncept spektroskopske metode analize, njene varijante

Spektroskopske metode analize- fizičke metode zasnovane na interakciji elektromagnetnog zračenja sa materijom. Interakcija dovodi do različitih energetskih prelaza, koji se instrumentalno bilježe u obliku apsorpcije zračenja, refleksije i raspršenja elektromagnetnog zračenja.

klasifikacija:

Emisiona spektralna analiza zasniva se na proučavanju spektra emisije (zračenja) ili emisionih spektra različitih supstanci. Varijanta ove analize je plamenska fotometrija, koja se zasniva na mjerenju intenziteta atomskog zračenja pobuđenog zagrijavanjem tvari u plamenu.

Spektralna analiza apsorpcije zasniva se na proučavanju apsorpcionih spektra analiziranih supstanci. Ako zračenje apsorbiraju atomi, tada se apsorpcija naziva atomska, a ako molekule, onda se naziva molekularna. Postoji nekoliko vrsta apsorpcione spektralne analize:

1. Spektrofotometrija - uzima u obzir apsorpciju svjetlosti određene talasne dužine analiziranom supstancom, tj. apsorpcija monohromatskog zračenja.

2. Fotometrija - zasniva se na mjerenju apsorpcije svjetlosti nestrogo monohromatskog zračenja analiziranom supstancom.

3. Kolorimetrija se zasniva na mjerenju apsorpcije svjetlosti obojenim otopinama u vidljivom dijelu spektra.

4. Nefelometrija se zasniva na mjerenju intenziteta svjetlosti raspršene čvrstim česticama suspendovanim u rastvoru, tj. svjetlost raspršena suspenzijom.

Luminiscencijska spektroskopija koristi sjaj predmeta koji se proučava, a koji nastaje pod utjecajem ultraljubičastih zraka.

U zavisnosti od toga koji dio spektra se javlja apsorpcija ili emisija, spektroskopija se razlikuje u ultraljubičastom, vidljivom i infracrvenom području spektra.

Spektroskopija je osjetljiva metoda za određivanje više od 60 elemenata. Koristi se za analizu brojnih materijala, uključujući biološke medije, biljne supstance, cemente, čaše i prirodne vode.

Fotometrijske metode analize

Fotometrijske metode analize zasnivaju se na selektivnoj apsorpciji svjetlosti od strane analita ili njegove kombinacije sa odgovarajućim reagensom. Intenzitet apsorpcije može se izmjeriti bilo kojom metodom, bez obzira na prirodu obojenog spoja. Točnost metode ovisi o metodi mjerenja. Postoje kolorimetrijska, fotokolorimetrijska i spektrofotometrijska metoda.

Fotokolorimetrijska metoda analize.

Fotokolorimetrijska metoda analize omogućava kvantifikaciju intenziteta apsorpcije svjetlosti analiziranom otopinom pomoću fotoelektrokolorimetara (ponekad se jednostavno nazivaju fotokolorimetrima). Da biste to učinili, pripremite seriju standardnih otopina i nacrtajte ovisnost apsorpcije svjetlosti analita o njegovoj koncentraciji. Ova zavisnost se zove kalibracioni graf. U fotokolorimetrima, svjetlosni tokovi koji prolaze kroz otopinu imaju široko područje apsorpcije - 30-50 nm, tako da je svjetlost ovdje polihromatska. To dovodi do gubitka reproduktivnosti, tačnosti i selektivnosti analize. Prednosti fotokolorimetra su njegova jednostavnost dizajna i visoka osjetljivost zbog velikog otvora izvora zračenja - žarulje sa žarnom niti.

Kolorimetrijska metoda analize.

Kolorimetrijska metoda analize zasniva se na mjerenju apsorpcije svjetlosti tvari. U ovom slučaju se upoređuje intenzitet boje, tj. optičku gustoću ispitne otopine sa bojom (optičkom gustinom) standardne otopine čija je koncentracija poznata. Metoda je vrlo osjetljiva i koristi se za određivanje mikro- i polu-mikrokvantiteta.

Analiza kolorimetrijskom metodom zahtijeva znatno manje vremena od kemijske metode.

Tokom vizuelne analize postiže se jednakost intenziteta boje analiziranog i obojenog rastvora. To se može postići na 2 načina:

1. izjednačiti boju promjenom debljine sloja;

2. odabrati standardne otopine različitih koncentracija (metoda standardnih serija).

Međutim, vizualno je nemoguće kvantitativno odrediti koliko puta je jedno rješenje intenzivnije obojeno od drugog. U ovom slučaju moguće je utvrditi istu boju analiziranog rastvora samo poređenjem sa standardnom.

Osnovni zakon apsorpcije svjetlosti.

Ako je svjetlosni tok, čiji je intenzitet I 0, usmjeren na otopinu koja se nalazi u ravnoj staklenoj posudi (kiveti), tada se jedan njegov dio intenzitetom I r odbija od površine kivete, a drugi dio intenzitetom I a se apsorbuje rastvorom i treći deo intenziteta I t prolazi kroz rastvor. Postoji veza između ovih količina:

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

Jer Budući da je intenzitet I r reflektovanog dijela svjetlosnog toka pri radu sa identičnim ćelijama konstantan i beznačajan, može se zanemariti u proračunima. Tada jednakost (1) poprima oblik:

I 0 = I a + I t (2)

Ova jednakost karakterizira optička svojstva rješenja, tj. njegova sposobnost da apsorbuje mulj i prenosi svetlost.

Intenzitet apsorbirane svjetlosti ovisi o broju obojenih čestica u otopini koje apsorbiraju više svjetlosti od rastvarača.

Svjetlosni tok, prolazeći kroz otopinu, gubi dio svog intenziteta - što je veća koncentracija i debljina sloja otopine, to je veći intenzitet. Za obojene otopine postoji odnos koji se naziva Bouguer–Lambert–Beerov zakon (između stepena apsorpcije svjetlosti, intenziteta upadne svjetlosti, koncentracije obojene tvari i debljine sloja).

Prema ovom zakonu, apsorpcija monohromatografske svjetlosti koja prolazi kroz sloj obojene tekućine proporcionalna je koncentraciji i debljini njenog sloja:

I = I 0 10 - kCh ,

Gdje I– intenzitet svetlosnog toka koji prolazi kroz rastvor; I 0– intenzitet upadne svjetlosti; WITH– koncentracija, mol/l; h– debljina sloja, cm; k– molarni koeficijent apsorpcije.

Molarni koeficijent apsorpcije k– optička gustina rastvora koji sadrži 1 mol/l upijajuća supstanca, sa debljinom sloja od 1 cm. To zavisi od hemijske prirode i fizičkog stanja supstance koja apsorbuje svetlost i od talasne dužine monohromatskog svetla.

Metoda standardne serije.

Metoda standardne serije zasniva se na dobijanju istog intenziteta boje testa i standardnih rastvora pri istoj debljini sloja. Boja ispitnog rastvora se upoređuje sa bojom više standardnih rastvora. Pri istom intenzitetu boje, koncentracije testa i standardne otopine su jednake.

Za pripremu serije standardnih otopina uzmite 11 epruveta istog oblika, veličine i iz istog stakla. Sipati standardnu ​​otopinu iz birete u postepeno povećavajućim količinama, na primjer: u 1 epruvetu 0,5 ml, u 2 1 ml, u 3 1,5 ml, itd. - pre 5 ml(svaka sledeća epruveta sadrži 0,5 ml više od prethodne). U sve epruvete se sipaju jednake količine rastvora, što daje reakciju boje sa jonom koji se određuje. Rastvori se razblažuju tako da nivoi tečnosti u svim epruvetama budu isti. Epruvete se zatvaraju, sadržaj se temeljito miješa i stavlja u stalak u sve većim koncentracijama. Na ovaj način se dobija skala boja.

Ista količina reagensa se dodaje u ispitni rastvor u istoj epruveti i razblažuje vodom do iste zapremine kao u drugim epruvetama. Zatvorite čepom i dobro promiješajte sadržaj. Boja ispitnog rastvora se poredi sa bojom standardnih rastvora na beloj pozadini. Rešenja treba da budu dobro osvetljena difuznom svetlošću. Ako se intenzitet boje ispitne otopine poklapa sa intenzitetom boje jedne od otopina na skali boja, tada su koncentracije ove i ispitne otopine jednake. Ako je intenzitet boje ispitivanog rastvora srednji između intenziteta dva susedna rastvora na skali, tada je njegova koncentracija jednaka prosečnoj koncentraciji ovih rastvora.

Upotreba metode standardnog rastvora preporučljiva je samo za određivanje mase supstance. Pripremljena serija standardnih otopina traje relativno kratko.

Metoda za izjednačavanje intenziteta boje rastvora.

Metoda izjednačavanja intenziteta boje testne i standardne otopine provodi se promjenom visine sloja jednog od otopina. Da bi se to postiglo, obojene otopine se stavljaju u 2 identične posude: testnu otopinu i standardnu. Mijenjajte visinu sloja otopine u jednoj od posuda sve dok intenzitet boje u obje otopine ne postane isti. U tom slučaju se određuje koncentracija ispitne otopine C. , upoređujući ga s koncentracijom standardne otopine:

Uz istraživanje = C st h st / h issl,

gdje su h st i h test visina sloja standarda i ispitnog rastvora, respektivno.

Instrumenti koji se koriste za određivanje koncentracija ispitnih otopina izjednačavanjem intenziteta boje nazivaju se kolorimetri.

Postoje vizualni i fotoelektrični kolorimetri. U vizuelnim kolorimetrijskim određivanjima, intenzitet boje se meri direktnim posmatranjem. Fotoelektrične metode se zasnivaju na upotrebi fotoćelija-fotokolorimetara. U zavisnosti od intenziteta upadnog svjetlosnog snopa, u fotoćeliji nastaje električna struja. Struja uzrokovana izlaganjem svjetlosti mjeri se galvanometrom. Odstupanje strelice ukazuje na intenzitet boje.

Spektrofotometrija.

Fotometrijska metoda zasniva se na mjerenju apsorpcije svjetlosti od svjetlosti koja analit nije striktno monohromatska.

Ako se u fotometrijskoj metodi analize koristi monohromatsko zračenje (zračenje jedne talasne dužine), onda se ova metoda naziva spektrofotometrija. Stepen monokromatičnosti toka elektromagnetnog zračenja određen je intervalom minimalne talasne dužine, koji se po korištenom monohromatoru (filter, difrakciona rešetka ili prizma) razlikuje od kontinuiranog toka elektromagnetnog zračenja.

TO spektrofotometrija obuhvata i oblast merne tehnologije koja kombinuje spektrometriju, fotometriju i metrologiju i bavi se razvojem sistema metoda i instrumenata za kvantitativna merenja spektralne apsorpcije, refleksije, emisije, spektralne svetlosti kao karakteristika medija, premaza, površina, emiteri.

Faze spektrofotometrijskog istraživanja:

1) izvođenje hemijske reakcije za dobijanje sistema pogodnih za spektrofotometrijsku analizu;

2) merenje apsorpcije dobijenih rastvora.

Suština metode spektrofotometrije

Ovisnost apsorpcije otopine tvari od valne dužine prikazana je na grafu u obliku apsorpcionog spektra tvari, na kojem je lako identificirati maksimum apsorpcije koji se nalazi na valnoj dužini svjetlosti koja se maksimalno apsorbira supstancom. Mjerenje optičke gustine rastvora supstanci pomoću spektrofotometara vrši se na talasnoj dužini maksimalne apsorpcije. To omogućava da se u jednom rastvoru analiziraju supstance čiji se maksimumi apsorpcije nalaze na različitim talasnim dužinama.

Ultraljubičasto-vidljiva spektrofotometrija koristi elektronske apsorpcione spektre.

Oni karakteriziraju najveće energetske tranzicije za koje je sposoban ograničeni raspon spojeva i funkcionalnih grupa. U neorganskim jedinjenjima, elektronski spektri su povezani s visokom polarizacijom atoma uključenih u molekulu tvari i obično se pojavljuju u složenim spojevima. U organskim jedinjenjima, pojava elektronskih spektra uzrokovana je prijelazom elektrona sa tla na pobuđene nivoe.

Položaj i intenzitet apsorpcionih traka su pod jakim uticajem jonizacije. Tokom kisele jonizacije, u molekulu se pojavljuje dodatni usamljeni par elektrona, što dovodi do dodatnog batohromskog pomaka (pomeranja u dugotalasnu oblast spektra) i povećanja intenziteta apsorpcionog pojasa.

Spektar mnogih supstanci ima nekoliko apsorpcionih traka.

Za spektrofotometrijska mjerenja u ultraljubičastom i vidljivom području koriste se dvije vrste instrumenata - neregistrovanje(rezultat se posmatra vizuelno na skali instrumenta) i spektrofotometri za snimanje.

Luminescentna metoda analize.

Luminescencija- sposobnost samostalnog sjaja, koja nastaje pod različitim utjecajima.

Klasifikacija procesa koji uzrokuju luminescenciju:

1) fotoluminiscencija (pobuđenje vidljivim ili ultraljubičastim svjetlom);

2) hemiluminiscencija (pobuda usled energije hemijskih reakcija);

3) katodoluminiscencija (pobuđenje udarom elektrona);

4) termoluminiscencija (pobuda zagrevanjem);

5) triboluminiscencija (pobuda mehaničkim djelovanjem).

U hemijskoj analizi važne su prve dvije vrste luminiscencije.

Klasifikacija luminiscencije prema prisustvu naknadnog sjaja. Može odmah prestati kada ekscitacija nestane - fluorescencija ili nastaviti određeno vrijeme nakon prestanka stimulativnog utjecaja - fosforescencija. Uglavnom se koristi fenomen fluorescencije, zbog čega se metoda i zove fluorometrija.

Primjena fluorimetrije: analiza tragova metala, organskih (aromatičnih) jedinjenja, vitamina D, B 6. Fluorescentni indikatori se koriste kod titriranja u mutnim ili tamno obojenim medijima (titracija se vrši u mraku, osvjetljavajući titrirani rastvor u koji se indikator dodaje svjetlom fluorescentne lampe).

Nefelometrijska analiza.

Nefelometrija koji je predložio F. Kober 1912. godine i zasniva se na mjerenju intenziteta svjetlosti raspršene suspenzijom čestica pomoću fotoćelija.

Nefelometrija se koristi za mjerenje koncentracije tvari koje su netopive u vodi, ali formiraju stabilne suspenzije.

Za izvođenje nefelometrijskih mjerenja koriste se nefelometri, u principu sličan kolorimetrima, sa jedinom razlikom što je kod nefelometrije

Prilikom dirigovanja fotonefelometrijska analiza Prvo, na osnovu rezultata određivanja serije standardnih rastvora, konstruiše se kalibracioni graf, zatim se analizira test rastvor i iz grafikona se određuje koncentracija analita. Za stabilizaciju nastalih suspenzija dodaje se zaštitni koloid - otopina škroba, želatine itd.

Polarimetrijska analiza.

Elektromagnetne vibracije prirodne svjetlosti javljaju se u svim ravnima okomitim na smjer snopa. Kristalna rešetka ima sposobnost da prenosi zrake samo u određenom smjeru. Po izlasku iz kristala, snop oscilira samo u jednoj ravni. Zove se greda čije su oscilacije u istoj ravni polarizovan. Ravan u kojoj se javljaju vibracije naziva se ravan oscilovanja polarizovani snop, a ravan okomita na njega je ravan polarizacije.

Polarimetrijska metoda analize temelji se na proučavanju polarizirane svjetlosti.

Refraktometrijska metoda analize.

Refraktometrijska metoda analize zasniva se na određivanju indeksa prelamanja ispitivane supstance, jer pojedinačnu supstancu karakteriše određeni indeks prelamanja.

Tehnički proizvodi uvijek sadrže nečistoće koje utiču na indeks loma. Stoga indeks loma može u nekim slučajevima poslužiti kao karakteristika čistoće proizvoda. Na primjer, vrste pročišćenog terpentina razlikuju se po indeksima prelamanja. Dakle, indeksi loma terpentina na 20° za žutu boju, označenu sa n 20 D (unos znači da je indeks loma mjeren na 20°C, valna dužina upadne svjetlosti je 598 mmk), jednaki su:

Prvi razred Drugi razred Treći razred

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

Refraktometrijska metoda analize može se koristiti za dualne sisteme, na primjer, za određivanje koncentracije tvari u vodenim ili organskim otopinama. U ovom slučaju, analiza se temelji na ovisnosti indeksa loma otopine o koncentraciji otopljene tvari.

Za neka rješenja postoje tablice ovisnosti indeksa loma o njihovoj koncentraciji. U ostalim slučajevima analiziraju se metodom kalibracione krive: priprema se niz otopina poznatih koncentracija, mjere se njihovi indeksi prelamanja i crta se graf ovisnosti indeksa loma u odnosu na koncentraciju, tj. konstruisati kalibracionu krivu. Koristi se za određivanje koncentracije ispitne otopine.

Indeks prelamanja.

Kada zrak svjetlosti prijeđe iz jednog medija u drugi, njegov smjer se mijenja. Prelama se. Indeks loma jednak je omjeru sinusa upadnog ugla i sinusa ugla prelamanja (ova vrijednost je konstantna i karakteristična za dati medij):

n = sin α / sin β,

gdje su α i β uglovi između smjera zraka i okomice na međuprostor oba medija (slika 1)

Indeks prelamanja je omjer brzine svjetlosti u zraku i u mediju koji se proučava (ako snop svjetlosti pada iz zraka).

Indeks loma zavisi od:

1. talasna dužina upadne svetlosti (sa povećanjem indikatora talasne dužine

refrakcija se smanjuje);

2. temperatura (sa povećanjem temperature indeks prelamanja opada);

3. pritisak (za gasove).

Prilikom određivanja indeksa prelamanja, naznačena je valna dužina upadne svjetlosti i mjerna temperatura. Na primjer, pisanje n 20 D znači da je indeks prelamanja izmjeren na 20 °C, talasna dužina upadne svjetlosti je 598 mmk. U tehničkim referentnim knjigama indeksi loma dati su na n 20 D.

Određivanje indeksa prelamanja tečnosti.

Prije početka rada, površina prizmi refraktometra se ispere destiliranom vodom i alkoholom, ispravno se provjerava nulta tačka uređaja i određuje se indeks loma ispitivane tekućine. Da biste to učinili, površina mjerne prizme pažljivo se obriše pamučnim štapićem navlaženim ispitivanom tekućinom i nanese se nekoliko kapi na ovu površinu. Prizme su zatvorene i rotirajući ih usmjeravaju granicu svjetlosti i sjene na križ niti okulara. Kompenzator eliminiše spektar. Prilikom očitavanja indeksa prelamanja, na skali refraktometra se uzimaju tri decimale, a četvrto okom. Zatim pomiču granicu chiaroscura, ponovo je kombinuju sa središtem križa za posmatranje i čine drugo brojanje. To. Izvode se 3 ili 5 očitavanja, nakon čega se peru i brišu radne površine prizmi. Ispitna tvar se ponovo nanosi na površinu mjerne prizme i provodi se druga serija mjerenja. Aritmetička sredina se uzima iz dobijenih podataka.

Radiometrijska analiza.

Radiometrijska analiza h zasniva se na mjerenju zračenja radioaktivnih elemenata i koristi se za kvantitativno određivanje radioaktivnih izotopa u materijalu koji se proučava. U ovom slučaju se mjeri ili prirodna radioaktivnost elementa koji se utvrđuje ili umjetna radioaktivnost dobivena korištenjem radioaktivnih izotopa.

Radioaktivni izotopi se identificiraju po poluraspadu ili prema vrsti i energiji zračenja. U praksi kvantitativne analize aktivnost radioaktivnih izotopa se najčešće mjeri njihovim α-, β- i γ-zračenjem.

Primjena radiometrijske analize:

Proučavanje mehanizma hemijskih reakcija.

Metoda obilježenih atoma koristi se za proučavanje djelotvornosti različitih metoda primjene gnojiva u tlo, puteva prodiranja mikroelemenata koji se primjenjuju na listovima biljke u organizam itd. Radioaktivni fosfor 32 P i azot 13 N posebno se koriste u agrohemijskim istraživanjima.

Analiza radioaktivnih izotopa koji se koriste za liječenje raka i za određivanje hormona i enzima.

Masena spektralna analiza.

Zasnovan na određivanju masa pojedinačnih joniziranih atoma, molekula i radikala kao rezultat kombiniranog djelovanja električnog i magnetskog polja. Registracija izdvojenih čestica se vrši električnim (masena spektrometrija) ili fotografskim (masena spektrografija) metodama. Određivanje se vrši pomoću instrumenata - masenih spektrometara ili masenih spektrografa.

Elektrohemijske metode analize.

Elektrohemijske metode analize i istraživanja zasnivaju se na proučavanju i upotrebi procesa koji se odvijaju na površini elektrode ili u prostoru blizu elektrode. Analitički signal- električni parametar (potencijal, struja, otpor), koji zavisi od koncentracije supstance koja se utvrđuje.

Razlikovati ravno I indirektne elektrohemijske metode. U direktnim metodama koristi se ovisnost jačine struje o koncentraciji komponente koja se utvrđuje. Kod indirektnih, jačina struje (potencijal) se meri da bi se pronašla krajnja tačka titracije (ekvivalentna tačka) komponente koju određuje titrant.

Elektrohemijske metode analize uključuju:

1. potenciometrija;

2. konduktometrija;

3. kulometrija;

4. amperometrija;

5. polarografija.

Elektrode koje se koriste u elektrohemijskim metodama.

1. Referentna elektroda i indikatorska elektroda.

Referentna elektroda- Ovo je elektroda sa konstantnim potencijalom, neosetljiva na jone rastvora. Referentna elektroda ima reproducibilan potencijal koji je stabilan tokom vremena i ne mijenja se kada prođe mala struja, a potencijal indikatorske elektrode se prijavljuje u odnosu na nju. Koriste se srebrni hlorid i kalomel elektrode. Srebrna hloridna elektroda je srebrna žica presvučena slojem AgCl i stavljena u rastvor KCl. Potencijal elektrode određen je koncentracijom jona klora u otopini:

Kalomel elektroda se sastoji od metalne žive, kalomela i rastvora KCI. Potencijal elektrode ovisi o koncentraciji kloridnih jona i temperaturi.

Indikatorska elektroda- Ovo je elektroda koja reaguje na koncentraciju detektovanih jona. Indikatorska elektroda mijenja svoj potencijal s promjenom koncentracije “jona koji određuju potencijal”. Indikatorske elektrode se dijele na nepovratan i reverzibilan. Potencijalni skokovi reverzibilnih indikatorskih elektroda na interfejsima zavise od aktivnosti učesnika u elektrodnim reakcijama u skladu sa termodinamičkim jednačinama; ravnoteža se uspostavlja prilično brzo. Nereverzibilne indikatorske elektrode ne ispunjavaju zahtjeve reverzibilnih. U analitičkoj hemiji koriste se reverzibilne elektrode za koje je zadovoljena Nernstova jednačina.

2. Metalne elektrode: izmjena elektrona i izmjena jona.

razmjena elektrona elektrode na interfejsu, dolazi do reakcije uz učešće elektrona. Elektrode za izmjenu elektroda dijele se na elektrode prva vrsta i elektrode druga vrsta. Elektrode prve vrste su metalna ploča (srebro, živa, kadmijum) uronjena u rastvor visoko rastvorljive soli ovog metala. Elektrode drugog tipa su metalne obložene slojem slabo rastvorljivog jedinjenja ovog metala i uronjene u rastvor visoko rastvorljivog jedinjenja sa istim anjonom (srebrni klorid, kalomel elektrode).

Elektrode za ionsku izmjenu- elektrode čiji potencijal zavisi od omjera koncentracija oksidiranog i redukovanog oblika jedne ili više tvari u otopini. Takve elektrode su napravljene od inertnih metala, poput platine ili zlata.

3. Membranske elektrode Oni su porozna ploča impregnirana tekućinom koja se ne miješa s vodom i sposobna je za selektivnu adsorpciju određenih jona (na primjer, otopine kelata Ni 2+, Cd 2+, Fe 2+ u organskom rastvoru). Rad membranskih elektroda zasniva se na nastanku razlike potencijala na međupovršini i uspostavljanju razmjenske ravnoteže između membrane i otopine.

Potenciometrijska metoda analize.

Potenciometrijska metoda analize zasniva se na mjerenju potencijala elektrode uronjene u otopinu. U potenciometrijskim mjerenjima formira se galvanska ćelija sa indikatorskom elektrodom i referentnom elektrodom i mjeri se elektromotorna sila (EMF).

Vrste potenciometrije:

Direktna potenciometrija koristi se za direktno određivanje koncentracije na osnovu potencijala indikatorske elektrode, pod uslovom da je proces elektrode reverzibilan.

Indirektna potenciometrija zasniva se na činjenici da je promjena koncentracije jona praćena promjenom potencijala na elektrodi uronjenoj u titrirani rastvor.

Kod potenciometrijske titracije, krajnja točka se detektuje skokom potencijala uzrokovanom zamjenom jedne elektrokemijske reakcije drugom u skladu s vrijednostima E° (standardni potencijal elektrode).

Vrijednost potencijala ovisi o koncentraciji odgovarajućih jona u otopini. Na primjer, potencijal srebrne elektrode uronjene u otopinu soli srebra mijenja se s koncentracijom Ag + iona u otopini. Stoga je mjerenjem potencijala elektrode uronjene u otopinu date soli nepoznate koncentracije moguće odrediti sadržaj odgovarajućih iona u otopini.

Elektroda po čijem se potencijalu sudi koncentracija određenih iona u otopini naziva se indikatorska elektroda.

Potencijal indikatorske elektrode određuje se upoređivanjem s potencijalom druge elektrode, koja se obično naziva referentna elektroda. Kao referentna elektroda može se koristiti samo elektroda čiji potencijal ostaje nepromijenjen kada se promijeni koncentracija iona koji se određuju. Standardna (normalna) vodikova elektroda se koristi kao referentna elektroda.

U praksi se kao referentna elektroda sa poznatom vrijednošću elektrodnog potencijala često koristi kalomelna elektroda umjesto vodonične elektrode (slika 1). Potencijal kalomelne elektrode sa zasićenim rastvorom CO na 20 °C je 0,2490 V.

Konduktometrijska metoda analize.

Konduktometrijska metoda analize zasniva se na mjerenju električne provodljivosti otopina, koja se mijenja kao rezultat kemijskih reakcija.

Električna provodljivost otopine ovisi o prirodi elektrolita, njegovoj temperaturi i koncentraciji otopljene tvari. Električna provodljivost razrijeđenih otopina je posljedica kretanja kationa i aniona, koje karakterizira različita mobilnost.

Sa povećanjem temperature, električna provodljivost raste kako se povećava mobilnost jona. Pri datoj temperaturi električna provodljivost otopine elektrolita ovisi o njegovoj koncentraciji: po pravilu, što je veća koncentracija, to je veća električna provodljivost! Prema tome, električna provodljivost date otopine služi kao indikator koncentracije otopljene tvari i određena je mobilnošću jona.

U najjednostavnijem slučaju konduktometrijske kvantifikacije, kada otopina sadrži samo jedan elektrolit, crta se graf ovisnosti električne provodljivosti otopine analita o njegovoj koncentraciji. Nakon utvrđivanja električne provodljivosti ispitne otopine, iz grafikona se nalazi koncentracija analita.

Tako se električna provodljivost baritne vode mijenja u direktnoj proporciji sa sadržajem Ba(OH) 2 u otopini. Ova zavisnost je grafički izražena pravom linijom. Za određivanje sadržaja Ba(OH)2 u baritnoj vodi nepoznate koncentracije potrebno je odrediti njenu električnu provodljivost i pomoću kalibracionog grafikona pronaći koncentraciju Ba(OH)2 koja odgovara ovoj vrijednosti električne provodljivosti. Ako se izmjerena zapremina plina koji sadrži ugljični dioksid propušta kroz otopinu Ba(OH) 2, čija je električna provodljivost poznata, tada CO 2 reagira s Ba(OH) 2:

Ba(OH) 2 + C0 2 → BaCO 3 + H 2 0

Kao rezultat ove reakcije, sadržaj Ba(OH) 2 u otopini će se smanjiti, a električna provodljivost baritne vode će se smanjiti. Mjerenjem električne provodljivosti baritne vode nakon što je apsorbirala CO 2 moguće je utvrditi koliko je smanjena koncentracija Ba(OH) 2 u otopini. Na osnovu razlike u koncentracijama Ba(OH) 2 u baritnoj vodi, lako je izračunati količinu apsorbovane

Analiza tvari može se provesti kako bi se odredio njen kvalitativni ili kvantitativni sastav. U skladu s tim, pravi se razlika između kvalitativne i kvantitativne analize.

Kvalitativna analiza omogućava da se ustanovi od kojih se hemijskih elemenata sastoji analizirana supstanca i koji su joni, grupe atoma ili molekula uključeni u njen sastav. Prilikom proučavanja sastava nepoznate supstance, kvalitativna analiza uvijek prethodi kvantitativnoj, jer izbor metode za kvantitativno određivanje sastavnih dijelova analizirane tvari ovisi o podacima dobivenim njenom kvalitativnom analizom.

Kvalitativna hemijska analiza se uglavnom zasniva na transformaciji analita u neko novo jedinjenje koje ima karakteristična svojstva: boju, određeno fizičko stanje, kristalnu ili amorfnu strukturu, specifičan miris itd. Hemijska transformacija koja se događa naziva se kvalitativna analitička reakcija, a tvari koje uzrokuju ovu transformaciju nazivaju se reagensi (reagensi).

Kada se analizira mješavina više tvari sličnih kemijskih svojstava, one se prvo razdvajaju, a tek onda se provode karakteristične reakcije na pojedinim supstancama (ili jonima), pa kvalitativna analiza obuhvata ne samo pojedinačne reakcije za detekciju jona, već i metode za njihovo odvajanje. .

Kvantitativna analiza omogućava utvrđivanje kvantitativnih odnosa između delova datog jedinjenja ili smeše supstanci. Za razliku od kvalitativne analize, kvantitativna analiza omogućava određivanje sadržaja pojedinačnih komponenti analita ili ukupnog sadržaja analita u ispitivanom proizvodu.

Metode kvalitativne i kvantitativne analize koje omogućavaju određivanje sadržaja pojedinih elemenata u analiziranoj supstanci nazivaju se elementi analize; funkcionalne grupe - funkcionalna analiza; pojedinačni hemijski spojevi koje karakteriše određena molekulska masa – molekularna analiza.

Skup različitih hemijskih, fizičkih i fizičko-hemijskih metoda za odvajanje i određivanje pojedinačnih strukturnih (faznih) komponenti heterogenih sistema koje se razlikuju po svojstvima i fizičkoj strukturi i međusobno su ograničene interfejsima naziva se fazna analiza.

Metode kvalitativne analize

U kvalitativnoj analizi, karakteristična hemijska ili fizička svojstva te supstance koriste se za određivanje sastava supstance koja se proučava. Apsolutno nema potrebe za izolacijom elemenata koji se mogu otkriti u njihovom čistom obliku kako bi se otkrilo njihovo prisustvo u analiziranoj supstanci. Međutim, izolacija čistih metala, nemetala i njihovih spojeva ponekad se koristi u kvalitativnoj analizi za njihovu identifikaciju, iako je ova metoda analize vrlo teška. Za otkrivanje pojedinačnih elemenata koriste se jednostavnije i pogodnije metode analize, zasnovane na hemijskim reakcijama karakterističnim za jone ovih elemenata i koje se odvijaju pod strogo određenim uslovima.

Analitički znak prisustva željenog elementa u analiziranom jedinjenju je oslobađanje gasa specifičnog mirisa; u drugom, formiranje taloga karakteriziranog određenom bojom.

Reakcije koje se javljaju između čvrstih materija i gasova. Analitičke reakcije se mogu odvijati ne samo u rastvorima, već između čvrstih i gasovitih supstanci.

Primjer reakcije između čvrstih tvari je reakcija oslobađanja metalne žive kada se njezine suhe soli zagrijavaju s natrij karbonatom. Formiranje bijelog dima kada plin amonijak reagira s klorovodikom može poslužiti kao primjer analitičke reakcije koja uključuje plinovite tvari.

Reakcije koje se koriste u kvalitativnoj analizi mogu se podijeliti u sljedeće grupe.

1. Reakcije taloženja praćene stvaranjem precipitacije različitih boja. Na primjer:

CaC2O4 - bijela

Fe43 - plava,

CuS - smeđe - žuto

HgI2 - crvena

MnS - nude - roze

PbI2 - zlatno

Nastali precipitati mogu se razlikovati po određenoj kristalnoj strukturi, rastvorljivosti u kiselinama, alkalijama, amonijaku itd.

2. Reakcije praćene stvaranjem gasova poznatog mirisa, rastvorljivosti itd.

3. Reakcije praćene stvaranjem slabih elektrolita. Među takvim reakcijama, kao rezultat toga nastaju: CH3COOH, H2F2, NH4OH, HgCl2, Hg(CN)2, Fe(SCN)3, itd. Reakcije istog tipa mogu se smatrati reakcijama kiselinsko-bazne interakcije, praćene stvaranjem neutralnih molekula vode, reakcijama stvaranja plinova i slabo topljivih taloga u vodi, te reakcijama kompleksiranja.

4. Reakcije acidobazne interakcije, praćene prijenosom protona.

5. Reakcije kompleksiranja praćene dodavanjem raznih legendi - jona i molekula - atomima agensa za stvaranje kompleksa.

6. Reakcije kompleksiranja povezane sa acidobaznom interakcijom

7. Reakcije oksidacije – redukcije, praćene prijenosom elektrona.

8. Reakcije oksidacije-redukcije povezane sa acidobaznom interakcijom.

9. Reakcije oksidacije – redukcije povezane sa formiranjem kompleksa.

10. Reakcije oksidacije – redukcije, praćene stvaranjem precipitacije.

11. Reakcije jonske izmjene koje se javljaju na kationskim ili anjonskim izmjenjivačima.

12. Katalitičke reakcije koje se koriste u kinetičkim metodama analize

Mokra i suva analiza

Reakcije koje se koriste u kvalitativnoj hemijskoj analizi najčešće se provode u rastvorima. Analit se prvo rastvara, a zatim se dobijeni rastvor tretira odgovarajućim reagensima.

Za rastvaranje supstance koja se analizira koristi se destilovana voda, octene i mineralne kiseline, carska vodena voda, vodeni rastvor amonijaka, organski rastvarači itd. Čistoća korišćenih rastvarača je važna za dobijanje tačnih rezultata.

Supstanca prebačena u rastvor se podvrgava sistematskoj hemijskoj analizi. Sistematska analiza se sastoji od niza preliminarnih testova i sekvencijalnih reakcija.

Hemijska analiza ispitivanih supstanci u rastvorima naziva se mokra analiza.

U nekim slučajevima, supstance se analiziraju suve, bez prenošenja u rastvor. Najčešće se takva analiza svodi na ispitivanje sposobnosti tvari da oboji bezbojni plamen plamenika u karakterističnu boju ili da određenu boju talini (tzv. biser) dobivenoj zagrijavanjem tvari natrijum tetraboratom (boraksom). ) ili natrijum fosfat („fosforova so“) u platinastoj ušnoj žici.

Hemijsko-fizička metoda kvalitativne analize.

Hemijske metode analize. Metode za određivanje sastava supstanci na osnovu upotrebe njihovih hemijskih svojstava nazivaju se hemijske metode analize.

Hemijske metode analize se široko koriste u praksi. Međutim, oni imaju niz nedostataka. Dakle, da bi se odredio sastav date supstance, ponekad je potrebno prvo odvojiti komponentu koja se utvrđuje od stranih nečistoća i izolovati je u njenom čistom obliku. Izolacija supstanci u njihovom čistom obliku često je vrlo težak, a ponekad i nemoguć zadatak. Osim toga, za određivanje malih količina nečistoća (manje od 10-4%) sadržanih u analiziranoj tvari ponekad je potrebno uzeti velike uzorke.

Fizičke metode analize. Prisutnost određenog kemijskog elementa u uzorku može se otkriti bez pribjegavanja kemijskim reakcijama, na temelju izravnog proučavanja fizičkih svojstava ispitivane tvari, na primjer, obojenja bezbojnog plamena plamenika u karakteristične boje pomoću isparljivih spojeva. određenih hemijskih elemenata.

Metode analize koje se mogu koristiti za određivanje sastava supstance koja se proučava bez pribjegavanja kemijskim reakcijama nazivaju se fizičke metode analize. Fizičke metode analize obuhvataju metode zasnovane na proučavanju optičkih, električnih, magnetskih, termičkih i drugih fizičkih svojstava supstanci koje se analiziraju.

Najčešće korištene fizičke metode analize uključuju sljedeće.

Spektralna kvalitativna analiza. Spektralna analiza se zasniva na posmatranju emisionih spektra (emisionih ili emisionih spektra) elemenata koji čine supstancu koja se analizira.

Luminescentna (fluorescentna) kvalitativna analiza. Luminescentna analiza se zasniva na posmatranju luminescencije (emisije svjetlosti) analita uzrokovanih djelovanjem ultraljubičastih zraka. Metoda se koristi za analizu prirodnih organskih spojeva, minerala, lijekova, niza elemenata itd.

Da bi se potaknuo sjaj, ispitivana tvar ili njezina otopina zrače se ultraljubičastim zrakama. U ovom slučaju, atomi tvari, apsorbirajući određenu količinu energije, prelaze u pobuđeno stanje. Ovo stanje karakteriše veća zaliha energije od normalnog stanja materije. Kada supstanca prijeđe iz pobuđenog u normalno stanje, dolazi do luminescencije zbog viška energije.

Luminescencija koja se vrlo brzo raspada nakon prestanka zračenja naziva se fluorescencija.

Posmatranjem prirode luminiscentnog sjaja i mjerenjem intenziteta ili svjetline luminiscencije spoja ili njegovih otopina, može se suditi o sastavu supstance koja se proučava.

U nekim slučajevima, određivanja se vrše na osnovu proučavanja fluorescencije koja je rezultat interakcije supstance koja se utvrđuje sa određenim reagensima. Poznati su i luminiscentni indikatori koji se koriste za određivanje reakcije okoline na promjene u fluorescenciji otopine. Luminescentni indikatori se koriste u proučavanju obojenih medija.

Analiza difrakcije rendgenskih zraka. Pomoću rendgenskih zraka moguće je odrediti veličine atoma (ili jona) i njihov relativni položaj u molekulima uzorka koji se proučava, odnosno moguće je odrediti strukturu kristalne rešetke, sastav supstance. a ponekad i prisustvo nečistoća u njemu. Metoda ne zahtijeva hemijsku obradu supstance ili velike količine.

Masena spektrometrijska analiza. Metoda se zasniva na određivanju pojedinačnih jonizovanih čestica koje se odbijaju od elektromagnetnog polja u većoj ili manjoj meri u zavisnosti od odnosa njihove mase i naelektrisanja (za više detalja videti knjigu 2).

Fizičke metode analize, koje imaju niz prednosti u odnosu na hemijske, u nekim slučajevima omogućavaju rješavanje problema koji se ne mogu riješiti metodama hemijske analize; Fizičkim metodama moguće je odvojiti elemente koje je teško odvojiti hemijskim metodama, kao i kontinuirano i automatski bilježiti očitanja. Vrlo često se uz kemijske koriste fizičke metode analize, što omogućava korištenje prednosti obje metode. Kombinacija metoda je posebno važna pri određivanju sitnih količina (tragova) nečistoća u analiziranim objektima.

Makro, polumikro i mikro metode

Analiza velikih i malih količina ispitivane supstance. U prošlosti su hemičari koristili velike količine ispitivane supstance za analizu. Da bi se odredio sastav supstance, uzeti su uzorci od nekoliko desetina grama i rastvoreni u velikoj zapremini tečnosti. Za to su bili potrebni hemijski kontejneri odgovarajućeg kapaciteta.

Trenutno se hemičari u analitičkoj praksi zadovoljavaju malim količinama supstanci. U zavisnosti od količine analita, zapremine rastvora korišćenih za analizu, a uglavnom od eksperimentalne tehnike koja se koristi, metode analize se dele na makro-, polu-mikro- i mikrometode.

Prilikom analize makrometodom, za izvođenje reakcije uzmite nekoliko mililitara otopine koja sadrži najmanje 0,1 g tvari i dodajte najmanje 1 ml otopine reagensa u ispitnu otopinu. Reakcije se izvode u epruvetama. Prilikom padavina dobijaju se voluminozni sedimenti koji se odvajaju filtriranjem kroz levke sa papirnim filterima.

Analiza kapljica

Tehnika izvođenja reakcija u analizi kapljica. Takozvana analiza kapljica, koju je u analitičku praksu uveo N. A. Tananaev, dobila je veliki značaj u analitičkoj hemiji.

Pri radu ovom metodom od velikog su značaja pojave kapilarnosti i adsorpcije, uz pomoć kojih je moguće otvoriti i odvojiti različite jone u njihovom zajedničkom prisustvu. U analizi kapljica, pojedinačne reakcije se provode na porculanskim ili staklenim pločama ili na filter papiru. U tom slučaju na ploču ili papir se nanose kap otopine za ispitivanje i kap reagensa koji uzrokuje karakterističnu obojenost ili stvaranje kristala.

Prilikom izvođenja reakcije na filter papiru koriste se kapilarno-adsorpcijska svojstva papira. Tečnost se apsorbuje u papir, a dobijeno obojeno jedinjenje se adsorbuje na maloj površini papira, čime se povećava osetljivost reakcije.

Mikrokristaloskopska analiza

Mikrokristaloskopska metoda analize temelji se na detekciji kationa i aniona reakcijom, usljed čega nastaje spoj koji ima karakterističan kristalni oblik.

Ranije se ova metoda koristila u kvalitativnoj mikrohemijskoj analizi. Trenutno se koristi i u analizi kapljica.

Za ispitivanje dobijenih kristala u mikrokristaloskopskoj analizi koristi se mikroskop.

Kristali karakterističnog oblika koriste se pri radu s čistim supstancama dodavanjem kapi otopine ili kristala reagensa na kap ispitivane tvari koja se stavlja na staklo. Nakon nekog vremena pojavljuju se jasno vidljivi kristali određenog oblika i boje.

Metoda mljevenja u prahu

Za detekciju određenih elemenata ponekad se koristi metoda mljevenja analita u prahu s čvrstim reagensom u porculanskoj ploči. Element koji se otvara otkriva se formiranjem karakterističnih spojeva koji se razlikuju po boji ili mirisu.

Metode analize zasnovane na zagrijavanju i fuziji tvari

pirohemijska analiza. Za analizu supstanci se takođe koriste metode koje se zasnivaju na zagrevanju ispitivane čvrste supstance ili njenom spajanju sa odgovarajućim reagensima. Pri zagrijavanju se neke tvari tope na određenoj temperaturi, druge se sublimiraju, a na hladnim zidovima uređaja pojavljuje se taloženje karakteristično za svaku tvar; neka jedinjenja se raspadaju kada se zagrevaju, oslobađajući gasovite produkte itd.

Kada se analit zagrije u mješavini s odgovarajućim reagensima, dolazi do reakcija koje su praćene promjenom boje, oslobađanjem plinovitih produkata i stvaranjem metala.

Spektralna kvalitativna analiza

Osim gore opisane metode promatranja golim okom bojenja bezbojnog plamena kada se u njega unese platinska žica s analiziranom tvari, trenutno se široko koriste i druge metode proučavanja svjetlosti koju emituju vruće pare ili plinovi. Ove metode se zasnivaju na upotrebi specijalnih optičkih instrumenata, čiji je opis dat u predmetu fizike. U ovoj vrsti spektralnih uređaja, svjetlost različitih valnih dužina koju emituje uzorak tvari zagrijane u plamenu razlaže se u spektar.

U zavisnosti od načina posmatranja spektra, spektralni instrumenti se nazivaju spektroskopi, pomoću kojih se spektar vizuelno posmatra, ili spektrografi, u kojima se spektri fotografišu.

Analiza hromatografskom metodom

Metoda se zasniva na selektivnoj apsorpciji (adsorpciji) pojedinih komponenti analizirane mješavine različitim adsorbensima. Adsorbenti su čvrste tvari na čijoj površini se apsorbira adsorbirana tvar.

Suština hromatografske metode analize je ukratko sljedeća. Kroz staklenu cijev (adsorpcionu kolonu) napunjenu adsorbentom propušta se otopina mješavine tvari koje se odvajaju.

Kinetičke metode analize

Metode analize zasnovane na mjerenju brzine reakcije i korištenju njene vrijednosti za određivanje koncentracije objedinjene su pod općim nazivom kinetičke metode analize (K. B. Yatsimirsky).

Kvalitativna detekcija kationa i aniona kinetičkim metodama se izvodi prilično brzo i relativno jednostavno, bez upotrebe složenih instrumenata.

Proučavanje supstanci je prilično složeno i zanimljivo pitanje. Na kraju krajeva, gotovo se nikada ne nalaze u prirodi u svom čistom obliku. Najčešće su to mješavine složenog sastava, u kojima odvajanje komponenti zahtijeva određene napore, vještine i opremu.

Nakon odvajanja, jednako je važno pravilno utvrditi pripada li supstanca određenoj klasi, odnosno identificirati je. Odredite tačke ključanja i topljenja, izračunajte molekulsku težinu, testirajte radioaktivnost i tako dalje, općenito, istraživanje. U tu svrhu koriste se različite metode, uključujući i fizičko-hemijske metode analize. Oni su prilično raznoliki i obično zahtijevaju upotrebu posebne opreme. O njima i dalje će se raspravljati.

Fizičko-hemijske metode analize: opći koncept

Koje su to metode za identifikaciju jedinjenja? To su metode koje se zasnivaju na direktnoj zavisnosti svih fizičkih svojstava supstance o njenom strukturnom hemijskom sastavu. Budući da su ovi pokazatelji strogo individualni za svako jedinjenje, fizikalno-hemijske metode istraživanja su izuzetno efikasne i daju 100% rezultate u određivanju sastava i drugih indikatora.

Dakle, sljedeća svojstva tvari mogu se uzeti kao osnova:

• sposobnost apsorpcije svjetlosti;
• toplotna provodljivost;
• električna provodljivost;
• temperatura ključanja;
• topljenje i drugi parametri.

Fizičko-hemijske metode istraživanja imaju značajnu razliku od čisto hemijskih metoda identifikacije supstanci. Kao rezultat njihovog rada, ne dolazi do reakcije, odnosno transformacije tvari, bilo reverzibilne ili nepovratne. U pravilu, spojevi ostaju netaknuti i po masi i po sastavu.

Karakteristike ovih istraživačkih metoda

Postoji nekoliko glavnih karakteristika karakterističnih za takve metode za određivanje supstanci.

1. Istraživački uzorak nije potrebno očistiti od nečistoća prije postupka, jer oprema to ne zahtijeva.
2. Fizičko-hemijske metode analize imaju visok stepen osjetljivosti, kao i povećanu selektivnost. Zbog toga je za analizu potrebna vrlo mala količina testnog uzorka, što ove metode čini veoma pogodnim i efikasnim. Čak i ako je potrebno odrediti element koji je sadržan u ukupnoj vlažnoj masi u zanemarivim količinama, to nije prepreka za navedene metode.
3. Analiza traje svega nekoliko minuta, tako da je druga karakteristika njena kratkotrajnost, odnosno ekspresivnost.
4. Metode istraživanja koje se razmatraju ne zahtijevaju korištenje skupih indikatora.

Očigledno je da su prednosti i karakteristike dovoljne da fizikalno-hemijske metode istraživanja budu univerzalne i tražene u gotovo svim studijama, bez obzira na područje djelovanja.

Klasifikacija

Može se identifikovati nekoliko karakteristika na osnovu kojih se klasifikuju metode koje se razmatraju. Međutim, predstavićemo najopštiji sistem koji objedinjuje i pokriva sve glavne metode istraživanja koje se odnose direktno na fizičko-hemijske.

1. Elektrohemijske metode istraživanja. Na osnovu izmjerenog parametra dijele se na:

• potenciometrija;
• voltametrija;
• polarografija;
• oscilometrija;
• konduktometrija;
• elektrogravimetrija;
• kulometrija;
• amperometrija;
• dielcometrija;
• visokofrekventna konduktometrija.

2. Spektralno. Uključuje:

• optički;
• rendgenska fotoelektronska spektroskopija;
• elektromagnetna i nuklearna magnetna rezonanca.

3. Thermal. Podijeljeno na:

• termalni;
• termogravimetrija;
• kalorimetrija;
• entalpimetrija;
• delatometrija.

4. Kromatografske metode, a to su:

• gas;
• sedimentni;
• penetrirajući u gel;
• razmjena;
• tečnost.

Također je moguće podijeliti fizičko-hemijske metode analize u dvije velike grupe. Prvi su oni koji rezultiraju uništenjem, odnosno potpunim ili djelomičnim uništenjem tvari ili elementa. Drugi je nedestruktivan, čuvajući integritet ispitnog uzorka.

Praktična primjena ovakvih metoda

Oblasti upotrebe razmatranih metoda rada su prilično raznolike, ali sve se, naravno, na ovaj ili onaj način odnose na nauku ili tehnologiju. Općenito, možemo navesti nekoliko osnovnih primjera iz kojih će postati jasno zašto su upravo takve metode potrebne.

1. Kontrola toka složenih tehnoloških procesa u proizvodnji. U tim slučajevima neophodna je oprema za beskontaktnu kontrolu i praćenje svih strukturnih karika u lancu rada. Ovi isti instrumenti će evidentirati probleme i kvarove i dati tačan kvantitativni i kvalitativni izvještaj o korektivnim i preventivnim mjerama.
2. Izvođenje hemijskog praktičnog rada u cilju kvalitativnog i kvantitativnog određivanja prinosa produkta reakcije.
3. Ispitivanje uzorka supstance kako bi se utvrdio njen tačan elementarni sastav.
4. Određivanje količine i kvaliteta nečistoća u ukupnoj masi uzorka.
5. Tačna analiza srednjih, glavnih i sekundarnih učesnika u reakciji.
6. Detaljan izvještaj o strukturi supstance i svojstvima koje ona pokazuje.
7. Otkrivanje novih elemenata i dobijanje podataka koji karakterišu njihova svojstva.
8. Praktična potvrda teorijskih podataka dobijenih empirijskim putem.
9. Analitički rad sa supstancama visoke čistoće koje se koriste u različitim oblastima tehnologije.
10. Titracija rastvora bez upotrebe indikatora, što daje precizniji rezultat i ima potpuno jednostavnu kontrolu, zahvaljujući radu uređaja. Odnosno, uticaj ljudskog faktora je sveden na nulu.
11. Osnovne fizičko-hemijske metode analize omogućavaju proučavanje sastava:

• minerali;
• mineral;
• silikati;
• meteoriti i strana tijela;
• metali i nemetali;
• legure;
• organske i neorganske tvari;
• monokristali;
• rijetki i elementi u tragovima.

Područja primjene metoda

• nuklearne energije;
• fizika;
• hemija;
• radio elektronika;
• laserska tehnologija;
• istraživanje svemira i drugo.

Klasifikacija fizičko-hemijskih metoda analize samo potvrđuje koliko su sveobuhvatne, tačne i univerzalne za upotrebu u istraživanju.

Elektrohemijske metode

Osnova ovih metoda su reakcije u vodenim rastvorima i na elektrodama pod uticajem električne struje, odnosno, jednostavnije rečeno, elektroliza. Shodno tome, vrsta energije koja se koristi u ovim metodama analize je tok elektrona.

Ove metode imaju svoju klasifikaciju fizičko-hemijskih metoda analize. Ova grupa uključuje sljedeće vrste.

1. Električna gravimetrijska analiza. Na osnovu rezultata elektrolize, sa elektroda se uklanja masa supstanci, koja se zatim važe i analizira. Tako se dobijaju podaci o masi jedinjenja. Jedna od varijanti takvog rada je metoda unutrašnje elektrolize.
2. Polarografija. Zasnovan je na mjerenju jačine struje. Upravo će ovaj pokazatelj biti direktno proporcionalan koncentraciji željenih iona u otopini. Amperometrijska titracija rastvora je varijacija razmatrane polarografske metode.
3. Kulometrija se zasniva na Faradejevom zakonu. Mjeri se količina električne energije koja se troši na proces, od čega se zatim nastavlja izračunavanje jona u otopini.
4. Potenciometrija - zasnovana na mjerenju elektrodnih potencijala učesnika u procesu.

Svi razmatrani procesi su fizičke i hemijske metode za kvantitativnu analizu supstanci. Koristeći elektrohemijske metode istraživanja, smjese se razdvajaju na sastavne komponente i određuje se količina bakra, olova, nikla i drugih metala.

Spektralno

Zasnovan je na procesima elektromagnetnog zračenja. Postoji i klasifikacija korištenih metoda.

1. Plamena fotometrija. Da biste to učinili, ispitivana tvar se raspršuje u otvoreni plamen. Mnogi metalni katjoni daju određenu boju, pa je na ovaj način moguća njihova identifikacija. To su uglavnom supstance kao što su: alkalni i zemnoalkalni metali, bakar, galijum, talijum, indijum, mangan, olovo, pa čak i fosfor.
2. Apsorpciona spektroskopija. Uključuje dvije vrste: spektrofotometriju i kolorimetriju. Osnova je određivanje spektra koji apsorbira supstanca. Djeluje u vidljivom i vrućem (infracrvenom) dijelu zračenja.
3. Turbidimetrija.
4. Nefelometrija.
5. Luminescentna analiza.
6. Refraktometrija i polarometrija.

Očigledno, sve metode koje se razmatraju u ovoj grupi su metode za kvalitativnu analizu supstance.

Analiza emisije

To uzrokuje emisiju ili apsorpciju elektromagnetnih valova. Na osnovu ovog pokazatelja može se suditi o kvalitativnom sastavu supstance, odnosno o tome koji su specifični elementi uključeni u sastav uzorka istraživanja.

Kromatografski

Fizičko-hemijske studije se često provode u različitim sredinama. U ovom slučaju hromatografske metode postaju vrlo zgodne i efikasne. Podijeljeni su na sljedeće tipove.

1. Adsorpciona tečnost. Zasnovan je na različitim adsorpcijskim sposobnostima komponenti.
2. Plinska hromatografija. Takođe zasnovano na kapacitetu adsorpcije, samo za gasove i supstance u stanju pare. Koristi se u masovnoj proizvodnji spojeva u sličnim agregatnim stanjima, kada proizvod izlazi u smjesi koja se mora odvojiti.
3. Particiona hromatografija.
4. Redox.
5. Jonska izmjena.
6. Papir.
7. Tanak sloj.
8. Sedimentno.
9. Adsorpcija-kompleksacija.

Thermal

Fizičko-hemijska istraživanja uključuju i korištenje metoda zasnovanih na toplini stvaranja ili raspadanja tvari. Takve metode također imaju svoju klasifikaciju.

1. Termička analiza.
2. Termogravimetrija.
3. Kalorimetrija.
4. Entalpometrija.
5. Dilatometrija.

Sve ove metode omogućavaju određivanje količine topline, mehaničkih svojstava i entalpije tvari. Na osnovu ovih pokazatelja kvantitativno se određuje sastav jedinjenja.

Metode analitičke hemije

Ovaj odjeljak hemije ima svoje karakteristike, jer je glavni zadatak s kojim se suočavaju analitičari kvalitativno određivanje sastava tvari, njihova identifikacija i kvantitativno obračunavanje. S tim u vezi, analitičke metode analize se dijele na:

• hemijski;
• biološki;
• fizičko-hemijski.

Budući da nas zanimaju potonje, razmotrit ćemo koji se od njih koriste za određivanje tvari.

Glavne vrste fizičko-hemijskih metoda u analitičkoj hemiji

1. Spektroskopski - sve isto kao i gore opisani.
2. Maseni spektralni - baziran na djelovanju električnih i magnetnih polja na slobodne radikale, čestice ili ione. Laboratorijski asistenti za fizikalno-hemijsku analizu obezbeđuju kombinovani efekat naznačenih polja sila, a čestice se razdvajaju u zasebne tokove jona na osnovu odnosa naelektrisanja i mase.
3. Radioaktivne metode.
4. Elektrohemijski.
5. Biohemijski.
6. Thermal.

Šta možemo naučiti o supstancama i molekulima iz takvih metoda obrade? Prvo, izotopski sastav. I još: produkti reakcije, sadržaj određenih čestica u posebno čistim supstancama, mase traženih spojeva i ostalo korisno za naučnike.

Stoga su metode analitičke hemije važni načini za dobijanje informacija o ionima, česticama, spojevima, supstancama i njihovoj analizi.

Analitička hemija i hemijska analiza

Hemijska analiza

Hemijska analiza naziva se dobijanje informacija o sastavu i strukturi supstanci, bez obzira na to kako se tačno do takvih informacija dolazi .

Neke metode (metode) analize zasnivaju se na izvođenju hemijskih reakcija sa posebno dodatim reagensima, u drugima hemijske reakcije imaju pomoćnu ulogu, a druge uopšte nisu vezane za tok reakcija. Ali rezultat analize u svakom slučaju je informacija o hemijski sastav supstance, tj. priroda i kvantitativni sadržaj njenih sastavnih atoma i molekula. Ova okolnost je naglašena upotrebom prideva „hemijski“ u sintagmi „hemijska analiza“.

Vrijednost analize. Hemijskim analitičkim metodama otkriveni su hemijski elementi, detaljno su proučavana svojstva elemenata i njihovih spojeva, te je utvrđen sastav mnogih prirodnih supstanci. Brojne analize omogućile su utvrđivanje osnovnih zakona hemije (zakon konstantnosti sastava, zakon održanja mase supstanci, zakon ekvivalenata, itd.) i potvrdile atomsko-molekularnu teoriju. Analiza je postala sredstvo naučnog istraživanja ne samo u hemiji, već iu geologiji, biologiji, medicini i drugim naukama. Značajan dio znanja o prirodi koje je čovječanstvo steklo još od Boyleovog vremena dobijeno je upravo hemijskom analizom.

Mogućnosti analitičara su naglo porasle u drugoj polovini 19. veka, a posebno u 20. veku, kada su mnogi fizički metode analize. Omogućili su rješavanje problema koji se ne mogu riješiti klasičnim metodama. Upečatljiv primjer su saznanja o sastavu Sunca i zvijezda, dobijena krajem 19. vijeka metodom spektralne analize. Jednako upečatljiv primjer na prijelazu iz 20. u 21. stoljeće bilo je dešifriranje strukture jednog od ljudskih gena. U ovom slučaju, početne informacije su dobijene spektrometrijom mase.

Analitička hemija kao nauka

Nauka o "analitičkoj hemiji" nastala je godine XVIII – XIX vijeka. Postoje mnoge definicije ("definicije") ove nauke. . Najsažetije i najočiglednije je sljedeće: Analitička hemija - nauka o određivanju hemijskog sastava supstanci ” .

Možete dati precizniju i detaljniju definiciju:

Analitička hemija je nauka koja razvija opštu metodologiju, metode i sredstva za proučavanje hemijskog sastava (kao i strukture) supstanci i razvija metode za analizu različitih objekata.

Predmet i pravci istraživanja. Predmet istraživanja analitičara praktičara su specifične hemijske supstance

Istraživanja u oblasti analitičke hemije u Rusiji se uglavnom sprovode u istraživačkim institutima i univerzitetima. Ciljevi ovih studija:

• razvoj teorijskih osnova različitih metoda analize;
• stvaranje novih metoda i tehnika, razvoj analitičkih instrumenata i reagenasa;
• rješavanje specifičnih analitičkih problema od velikog ekonomskog ili društvenog značaja. Primjeri takvih problema: stvaranje analitičkih metoda upravljanja nuklearnom energijom i za proizvodnju poluvodičkih uređaja (ovi problemi su uspješno riješeni 50-70-ih godina 20. stoljeća); razvoj pouzdanih metoda za procjenu zagađenja okoliša izazvanog čovjekom (ovaj problem se trenutno rješava).

1.2.Vrste analiza

Vrste analiza su veoma raznolike. Mogu se klasifikovati na različite načine: po prirodi primljenih informacija, prema objektima analize i objektima utvrđivanja, prema potrebnoj tačnosti i trajanju jedne analize, kao i po drugim karakteristikama.

Klasifikacija prema prirodi primljenih informacija. Razlikovati kvalitativno I kvantitativna analiza. U prvom slučaju saznati od čega se određena supstanca sastoji, koje su tačno njene komponente ( Komponente) su uključeni u njegov sastav. U drugom slučaju određuje se kvantitativni sadržaj komponenti, izražavajući ga u obliku masenog udjela, koncentracije, molarnog omjera komponenti itd.

Klasifikacija prema objektima analize. Svako područje ljudske aktivnosti ima tradicionalno objekti analize. Tako u industriji proučavaju sirovine, gotove proizvode, poluproizvode i proizvodni otpad. Objekti agrohemijska analize zemljišta, đubriva, stočne hrane, žitarica i drugih poljoprivrednih proizvoda. U medicini provode klinički analiza, njeni objekti - krv, urin, želudačni sok, razna tkiva, izdahnuti vazduh i još mnogo toga. Stručnjaci za provođenje zakona sprovode forenzička analiza ( Analiza tiskarske boje za otkrivanje krivotvorenja dokumenata; analiza lijekova; analiza fragmenata pronađenih na mjestu saobraćajne nesreće i sl.). Uzimajući u obzir prirodu objekata koji se proučavaju, razlikuju se i druge vrste analiza, na primjer, analiza droga ( farmaceutski analiza), prirodne i otpadne vode ( hidrohemijski analiza), analiza naftnih derivata, građevinskog materijala itd.

Klasifikacija prema objektima definicije. Slične pojmove ne treba miješati - analiza I odrediti. Ovo nisu sinonimi! Dakle, ako nas zanima da li ima gvožđa u krvi čoveka i koliki je njegov procenat, onda je krv objekt analize i gvožđe objekt definicije. Naravno, i željezo može postati predmet analize – ako u komadu željeza odredimo nečistoće drugih elemenata. Objekti definicije imenovati one komponente materijala koji se proučava, čiji kvantitativni sadržaj treba utvrditi. Objekti definicije nisu ništa manje raznoliki od objekata analize. Uzimajući u obzir prirodu komponente koja se utvrđuje, razlikuju se različite vrste analiza (Tabela 1). Kao što se može vidjeti iz ove tablice, sami objekti detekcije ili definicije (oni se također nazivaju analiti) pripadaju različitim nivoima strukturiranja materije (izotopi, atomi, joni, molekuli, grupe molekula srodne strukture, faze).

Tabela 1.

Klasifikacija vrsta analiza prema objektima utvrđivanja ili detekcije

Vrsta analize	Predmet određivanja ili detekcije (analit)	Primjer	Područje primjene
Izotop	Atomi sa datim vrijednostima nuklearnog naboja i masenog broja (izotopi)	137 Cs, 90 Sr, 235 U	Nuklearna energija, kontrola zagađenja životne sredine, medicina, arheologija itd.
Elemental	Atomi sa datim vrijednostima nuklearnog naboja (elementi)	Cs, Sr ,U Cr,Fe,Hg	Svuda
Real	Atomi (joni) elementa u datom oksidacionom stanju ili u jedinjenjima datog sastava (oblik elementa)	Sr(III), Fe2+, Hg kao deo kompleksnih jedinjenja	Hemijska tehnologija, kontrola zagađenja životne sredine, geologija, metalurgija itd.
Molekularno	Molekule sa datim sastavom i strukturom	Benzen, glukoza, etanol	Medicina, kontrola životne sredine, agrohemija, hemija. tehnologija, forenzika.
Strukturna grupa ili funkcionalan	Zbir molekula sa datim strukturnim karakteristikama i sličnim svojstvima	Zasićeni ugljovodonici, monosaharidi, alkoholi	Hemijska tehnologija, prehrambena industrija, medicina.
Faza	Zasebna faza ili element unutar date faze	Grafit u čeliku, kvarc u granitu	Metalurgija, geologija, tehnologija građevinskih materijala.

Tokom elementarna analiza identificirati ili kvantificirati ovaj ili onaj element, bez obzira na njegovo oksidacijsko stanje ili uključivanje u sastav određenih molekula. U rijetkim slučajevima utvrđuje se puni elementarni sastav materijala koji se proučava. Obično je dovoljno odrediti neke elemente koji značajno utiču na svojstva objekta koji se proučava.

Real analiza je počela da se izdvaja kao nezavisna vrsta nedavno, ranije se smatrala delom elementarnog. Svrha analize materijala je da se posebno odredi sadržaj različitih oblika istog elementa. Na primjer, sadržaj hroma (III) i hroma (VI) u otpadnim vodama. U naftnim proizvodima, “sulfatni sumpor”, “slobodni sumpor” i “sulfidni sumpor” su posebno definisani. Proučavajući sastav prirodnih voda, otkrivaju koji dio žive postoji u obliku jakih kompleksnih i organoelementnih spojeva, a koji dio - u obliku slobodnih jona. Ovi problemi su mnogo teži od problema elementarne analize.

Molekularna analiza posebno je važno pri proučavanju organskih materija i materijala biogenog porekla.Primer bi bilo određivanje benzena u benzinu ili acetona u izdahnutom vazduhu. U takvim slučajevima potrebno je uzeti u obzir ne samo sastav, već i strukturu molekula. Uostalom, materijal koji se proučava može sadržavati izomere i homologe komponente koja se utvrđuje. Stoga se sadržaj glukoze obično mora odrediti u prisustvu njenih izomera i drugih srodnih spojeva, kao što je saharoza.

Klasifikacija prema tačnosti, trajanju i cijeni analiza. Poziva se pojednostavljena, brza i jeftina opcija analize ekspresna analiza. Ovdje se često koristi metode ispitivanja . Na primjer, bilo koja osoba (ne analitičar) može procijeniti sadržaj nitrata u povrću (šećer u urinu, teški metali u vodi za piće, itd.) pomoću posebnog alata za testiranje - indikator papira. Sadržaj potrebne komponente određuje se pomoću skale boja koja se isporučuje uz papir. Rezultat će biti vidljiv golim okom i razumljiv nespecijalistu. Metode ispitivanja ne zahtijevaju dostavu uzorka u laboratoriju niti bilo kakvu obradu ispitnog materijala; Ove metode ne koriste skupu opremu i ne provode proračune. Važno je samo da rezultat metode ispitivanja ne zavisi od prisustva drugih komponenti u materijalu koji se ispituje, a za to je potrebno da reagensi kojima se papir impregnira prilikom proizvodnje budu specifični. Vrlo je teško osigurati specifičnost metoda ispitivanja, a ova vrsta analize postala je rasprostranjena tek u posljednjim godinama dvadesetog stoljeća. Naravno, metode ispitivanja ne mogu osigurati visoku tačnost analize, ali to nije uvijek potrebno.

Upravo suprotno od ekspresne analize - arbitraža analiza h. Glavni zahtjev za to je da se osigura najveća moguća tačnost rezultata. Arbitražne analize se rijetko provode (na primjer, radi rješavanja sukoba između proizvođača i potrošača nekih proizvoda). Za izvođenje ovakvih analiza uključeni su najkvalifikovaniji izvođači, koriste se najpouzdanije i više puta dokazane metode. Vrijeme izvršenja i cijena takve analize nisu od fundamentalnog značaja.

Međumesto između ekspresne i arbitražne analize u smislu tačnosti, trajanja, troškova i drugih pokazatelja zauzima rutinski testovi. Najveći deo analiza koje se obavljaju u fabričkim i drugim kontrolnim i analitičkim laboratorijama su ovog tipa.

1.3. Metode analize

Klasifikacija metoda. Koncept „metoda analize“ koristi se kada se želi identifikovati suština određene analize, njen osnovni princip. Metoda analize je prilično univerzalna i teorijski zasnovana metoda provođenja analize, koja se suštinski razlikuje od drugih metoda po svojoj namjeni i osnovnom principu, bez obzira koja se komponenta određuje i šta se tačno analizira.Ista metoda se može koristiti za analizu različitih objekata i za određivanje različitih analita .

Postoje tri glavne grupe metoda (slika 1). Neki od njih prvenstveno su usmjereni na odvajanje komponenti ispitivane smjese (naknadna analiza bez ove operacije se pokazuje netočnom ili čak nemogućom). Prilikom odvajanja obično dolazi do koncentracije komponenti koje se određuju (vidi Poglavlje 8). Primjer bi bile metode ekstrakcije ili metode ionske izmjene. Prilikom kvalitativne analize koriste se i druge metode koje služe za pouzdanu identifikaciju (identifikaciju) komponenti koje nas zanimaju. Treći, najbrojniji, namijenjeni su za kvantitativno određivanje komponenti. Pozivaju se odgovarajuće grupe metode odvajanja i koncentracije, metode identifikacije i metode određivanja. Metode prve dvije grupe, po pravilu, , igraju sporednu ulogu Od najveće važnosti za praksu su metode određivanja.

Fizičko-hemijski

Fig.1. Klasifikacija metoda analize

Pored tri glavne grupe, postoje hibrid metode. Na sl. 1. nisu prikazani. U hibridnim metodama, razdvajanje, identifikacija i određivanje komponenti su organski kombinovani u jednom uređaju (ili u jednom kompleksu instrumenata). Najvažnija od ovih metoda je hromatografski analiza. U posebnom uređaju (hromatografu), komponente ispitnog uzorka (smjese) se odvajaju dok se kreću različitim brzinama kroz kolonu ispunjenu čvrstim prahom (sorbentom). Do trenutka kada komponenta napusti kolonu, procjenjuje se njena priroda i tako se identifikuju sve komponente uzorka. Komponente koje izlaze iz kolone jedna po jedna ulaze u drugi dio uređaja, gdje poseban uređaj - detektor - mjeri i snima signale svih komponenti. Često se signali automatski dodjeljuju određenim supstancama, kao i izračunava sadržaj svake komponente uzorka. To je jasno hromatografski analiza se ne može smatrati samo metodom za razdvajanje komponenti, niti samo metodom za kvantitativno određivanje, već je upravo hibridna metoda.

1.4. Metode analize i zahtjevi za njih

Koncepte ne treba miješati metoda I tehnike.

Metodologija je jasan i detaljan opis kako treba izvršiti analizu, primjenom neke metode za rješavanje određenog analitičkog problema.

Metodu obično razvijaju stručnjaci, prolazi preliminarna ispitivanja i metrološko certificiranje, službeno je registrirana i odobrena. Naziv metode označava korištenu metodu, predmet određivanja i predmet analize

Pokupiti optimalno(najbolja) tehnika, u svakom slučaju se mora uzeti u obzir niz praktičnih zahtjeva.

1. T tačnost. Ovo je glavni uslov. To znači da relativna ili apsolutna greška analize ne bi trebalo da pređe određenu graničnu vrednost

2. Osetljivost. Ovu riječ u kolokvijalnom govoru zamjenjuju strožiji izrazi “granica detekcije” i “donja granica detektivnih koncentracija”" Visoko osjetljive metode su one pomoću kojih možemo otkriti i identificirati komponentu čak i kada je njen sadržaj u materijalu koji se proučava nizak. Što je manji očekivani sadržaj, potrebna je osjetljivija tehnika. .

3. Selektivnost (selektivnost). Važno je da na rezultat analize ne utiču strane supstance uključene u uzorak.

4. Ekspresivnost . Riječ je o trajanju analize jednog uzorka - od uzorkovanja do izdavanja zaključka. Što se brže dobiju rezultati, to bolje.

5.C trošak. Ova karakteristika tehnike ne zahteva komentar. Samo relativno jeftini testovi mogu se koristiti u masovnoj skali. Troškovi analitičke kontrole u industriji obično ne prelaze 1% cijene proizvoda. Analize koje su jedinstvene po svojoj složenosti i koje se rijetko izvode su veoma skupe.

Postoje i drugi zahtjevi za metodologiju - sigurnost analize, mogućnost izvođenja analize bez direktnog ljudskog učešća, stabilnost rezultata na slučajne fluktuacije uslova itd.

1.5. Glavne faze (faze) kvantitativne analize

Tehnika kvantitativne analize se mentalno može podijeliti u nekoliko uzastopnih faza (etapa), a gotovo svaka tehnika ima iste faze. Odgovarajući logički dijagram analize prikazan je na slici 1.2 Glavni koraci u provođenju kvantitativne analize su: formulacija analitičkog problema i izbor metodologije, uzorkovanje, priprema uzorka, mjerenje signala, proračun i prezentacija rezultata.

Postavljanje analitičkog problema i izbor metodologije. Posao specijaliste analitičara obično počinje dobijanjem red za analizu. Pojava takvog reda obično proizlazi iz profesionalnih aktivnosti drugih stručnjaka, pojave nekih Problemi. Takav problem može biti, na primjer, postavljanje dijagnoze, otkrivanje uzroka kvara prilikom proizvodnje nekih proizvoda, utvrđivanje autentičnosti muzejskog eksponata, mogućnost prisustva neke toksične tvari u vodi iz slavine itd. Na osnovu informacija dobijenih od specijaliste (organskog hemičara, industrijskog inženjera, geologa, zubara, istražitelja tužilaštva, agronoma, arheologa, itd.), analitičar mora formulisati analitički problem. Naravno, moramo uzeti u obzir mogućnosti i želje „kupca“. Osim toga, potrebno je prikupiti dodatne informacije (prvenstveno o kvalitativnom sastavu materijala koji će se morati analizirati).

Postavljanje analitičkog problema zahtijeva vrlo visoko kvalifikovanog analitičara i najteži je dio predstojećeg istraživanja. Nije dovoljno odrediti koji materijal će se morati analizirati i šta tačno u njemu treba utvrditi. Potrebno je razumjeti na kojem nivou koncentracije će se analiza morati provesti, koje će strane komponente biti prisutne u uzorcima, koliko često će se analize trebati provoditi, koliko vremena i novca se može potrošiti na jednu analizu , da li će uzorke biti moguće dostaviti u laboratorij ili će biti potrebno izvršiti analizu direktno "na licu mjesta", da li će postojati ograničenja u težini i reproduktivnost svojstva materijala koji se proučava, itd. Ono što je najvažnije, morate razumjeti: koju točnost rezultata analize treba osigurati i kako će se ta tačnost postići!

Jasno formulisan analitički problem je osnova za izbor optimalne metodologije. Pretraživanje se vrši korištenjem zbirki normativnih dokumenata (uključujući standardne metode), priručnika i pregleda pojedinačnih objekata ili metoda. Na primjer, ako će fotometrijskom metodom odrediti sadržaj naftnih derivata u otpadnim vodama, onda pregledavaju monografije posvećene, prvo, fotometrijskoj analizi, drugo, metodama za analizu otpadnih voda, i treće, različitim metodama određivanja naftnih derivata. . Postoje serije knjiga, od kojih je svaka posvećena analitičkoj hemiji elementa. Izdani su priručnici o pojedinačnim metodama i pojedinačnim objektima analize. Ukoliko nije bilo moguće pronaći odgovarajuće metode u priručniku i monografijama, pretraga se nastavlja korišćenjem apstraktnih i naučnih časopisa, internet pretraživača, konsultacija sa specijalistima itd. Nakon odabira odgovarajućih metoda, bira se ona koja najbolje odgovara analitičkom zadatku. .

Često, za rješavanje određenog problema, ne samo da ne postoje standardne metode, već uopće ne postoje prethodno opisana tehnička rješenja (posebno složeni analitički problemi, jedinstveni objekti). Ovakva situacija se često susreće prilikom sprovođenja naučnog istraživanja.U tim slučajevima morate sami razviti tehniku ​​analize. Ali kada obavljate analize vlastitim metodama, posebno pažljivo provjerite ispravnost dobivenih rezultata.

Uzorkovanje. Razviti metodu analize koja bi omogućila mjerimo koncentraciju komponente koja nas zanima direktno u predmetu koji se proučava prilično je rijedak. Primjer bi bio senzor sadržaja ugljičnog dioksida u zraku koji se ugrađuje u podmornice i druge zatvorene prostore.Mnogo češće se mali dio uzima iz materijala koji se proučava - uzorak- i dostaviti u analitičku laboratoriju na dalja istraživanja. Uzorak mora biti predstavnik(reprezentativan), odnosno njegova svojstva i sastav treba da se približno poklapaju sa svojstvima i sastavom materijala koji se proučava u cjelini.Za plinovite i tečne objekte analize prilično je lako uzeti reprezentativan uzorak, jer su homogeni . Potrebno je samo odabrati pravo vrijeme i mjesto odabira. Na primjer, prilikom uzimanja uzoraka vode iz akumulacije, uzima se u obzir da se voda u površinskom sloju razlikuje po sastavu od vode iz donjeg sloja, voda u blizini obale je zagađenija, sastav riječne vode nije isto u različito doba godine itd. U velikim gradovima uzorci atmosferskog zraka uzimaju se uzimajući u obzir smjer vjetra i lokaciju izvora emisije nečistoća. Uzorkovanje ne izaziva probleme čak ni kada se ispituju čiste hemikalije, čak i čvrste supstance ili homogeni fini prah.

Mnogo je teže pravilno odabrati reprezentativan uzorak heterogene čvrste supstance (zemlja, ruda, ugalj, žito, itd.). Ako uzorke tla uzimate na različitim mjestima istog polja, ili sa različitih dubina, ili u različito vrijeme, rezultati analize iste vrste uzoraka će se pokazati različitim. Mogu se razlikovati nekoliko puta, posebno ako je sam materijal bio heterogen i sastojao se od čestica različitog sastava i veličine.

Stvar se komplikuje činjenicom da uzorkovanje često ne vrši sam analitičar, već nedovoljno kvalifikovani radnici ili, što je još gore, osobe koje su zainteresovane za dobijanje određenog rezultata analize. Tako je u pričama M. Twaina i Breta Hartea živopisno opisano kako je prodavac prije prodaje zlatonosnog lokaliteta nastojao da za analizu odabere komade stijene s očiglednim inkluzijama zlata, a kupac - praznu stijenu. Nije iznenađujuće da su rezultati odgovarajućih analiza dali suprotnu, ali u oba slučaja, pogrešnu karakterizaciju proučavanog područja.

Da bi se osigurala tačnost rezultata analize, za svaku grupu objekata razvijena su i usvojena posebna pravila i šeme uzorkovanja. Primjer bi bila analiza tla. U ovom slučaju treba odabrati neki velike porcije test materijala na različitim mjestima proučavanog područja, a zatim ih kombinirati. Unapred se izračunava koliko tačaka uzorkovanja treba da bude i na kojoj udaljenosti jedna od druge treba da se nalaze te tačke. Naznačeno je s koje dubine treba uzeti svaki dio tla, koja bi masa trebala biti, itd. Postoji čak i posebna matematička teorija koja vam omogućava da izračunate minimalnu masu kombiniranog uzorka, uzimajući u obzir veličinu čestica , heterogenost njihovog sastava itd. Što je veća masa uzorka, to je reprezentativniji, stoga za nehomogeni materijal ukupna masa kombiniranog uzorka može doseći desetine, pa čak i stotine kilograma. Kombinovani uzorak se suši, drobi, dobro meša, a količina materijala koji se ispituje postepeno se smanjuje (postoje posebne tehnike i uređaji za to), ali čak i nakon višekratne redukcije, težina uzorka može dostići nekoliko stotina grama. Smanjeni uzorak se dostavlja u laboratoriju u hermetički zatvorenoj posudi. Tamo nastavljaju sa mljevenjem i miješanjem ispitivanog materijala (kako bi se uprosječio sastav), a tek onda uzimaju izvagani dio prosječnog uzorka na analitičkoj vagi za dalju analizu. priprema uzorka i naknadno mjerenje signala.

Uzorkovanje je najvažnija faza analize, jer je greške koje se javljaju u ovoj fazi vrlo teško ispraviti ili objasniti. Greške uzorkovanja često su glavni faktor koji doprinosi ukupnoj analitičkoj nesigurnosti. Ako uzorkovanje nije ispravno, čak ni idealno izvođenje narednih operacija neće pomoći - više neće biti moguće dobiti ispravan rezultat.

Priprema uzorka . Ovo je zajednički naziv za sve operacije kojima se uzorak koji je tamo dostavljen podvrgava u laboratoriju prije mjerenja analitičkog signala. Tokom priprema uzorka obavljaju različite operacije: isparavanje, sušenje, kalcinaciju ili sagorijevanje uzorka, njegovo otapanje u vodi, kiselinama ili organskim rastvaračima, preliminarnu oksidaciju ili redukciju komponente koja se određuje posebno dodatim reagensima, uklanjanje ili maskiranje ometajućih nečistoća. Često je potrebno koncentrirati komponentu koja se utvrđuje – iz uzorka velikog volumena komponenta se kvantitativno prenosi u malu zapreminu otopine (koncentrata), gdje se zatim mjeri analitički signal. Uzorak komponenti sa sličnim svojstvima tokom priprema uzorka pokušavaju ih odvojiti jedne od drugih kako bi lakše odredili koncentraciju svakog pojedinačno. Priprema uzorka zahtijeva više vremena i rada nego druge operacije analize; prilično je teško automatizovati. Treba imati na umu da svaka operacija priprema uzorka- ovo je dodatni izvor grešaka u analizi. Što manje takvih operacija ima, to bolje. Idealne metode su one koje ne uključuju pozornicu priprema uzorka(„došao, izmjerio, izračunao“), ali takvih metoda je relativno malo.

Analitičko mjerenje signala zahtijeva upotrebu odgovarajućih mjernih instrumenata, prvenstveno preciznih instrumenata (vaga, potenciometara, spektrometara, hromatografa, itd.), kao i prethodno kalibriranog mjernog pribora. Mjerni instrumenti moraju biti certificirani („verificirani“), odnosno unaprijed se mora znati koja se najveća greška može postići mjerenjem signala pomoću ovog uređaja. Pored instrumenata, mjerenja signala u mnogim slučajevima zahtijevaju standarde poznatog hemijskog sastava (uporedni uzorci, na primjer uzorci državnih standarda). Koriste se za kalibraciju metodologije (vidi Poglavlje 5), provjeru i podešavanje instrumenata. Rezultat analize se također izračunava korištenjem standarda.

Obračun i prezentacija rezultata - najbrža i najlakša faza analize. Potrebno je samo odabrati odgovarajuću metodu izračuna (pomoću jedne ili druge formule, prema rasporedu itd.). Tako se za određivanje uranijuma u rudi uranijuma poredi radioaktivnost uzorka sa radioaktivnošću standardnog uzorka (rude sa poznatim sadržajem uranijuma), a zatim se rješavanjem uobičajene proporcije utvrđuje sadržaj uranijuma u uzorku. Međutim, ova jednostavna metoda nije uvijek prikladna, a korištenje neodgovarajućeg algoritma proračuna može dovesti do ozbiljnih grešaka. Neke metode proračuna su veoma složene i zahtevaju korišćenje računara. U narednim poglavljima biće detaljno opisane metode proračuna koje se koriste u različitim metodama analize, njihove prednosti i uslovi primenljivosti svake metode. Rezultati analize moraju se statistički obraditi. Svi podaci vezani za analizu datog uzorka reflektuju se u laboratorijski dnevnik, a rezultat analize se unosi u poseban protokol. Ponekad i sam analitičar uspoređuje rezultate analize nekoliko supstanci međusobno ili s određenim standardima i donosi smislene zaključke. Na primjer, o usklađenosti ili neusklađenosti kvaliteta materijala koji se proučava sa utvrđenim zahtjevima ( analitička kontrola).

Ogromna većina informacija o supstancama, njihovim svojstvima i hemijskim transformacijama dobijena je hemijskim ili fizičko-hemijskim eksperimentima. Stoga, glavnu metodu koju koriste hemičari treba smatrati hemijskim eksperimentom.

Tradicije eksperimentalne hemije su se razvijale vekovima. Čak i kada hemija nije bila egzaktna nauka, u antičko doba i u srednjem veku, naučnici i zanatlije, ponekad slučajno, a ponekad namerno, otkrivali su metode za dobijanje i prečišćavanje mnogih supstanci koje su se koristile u privrednim delatnostima: metala, kiselina, alkalija. , boje i sl. Alhemičari su mnogo doprinijeli akumulaciji takvih informacija (vidi Alhemija).

Zahvaljujući tome, do početka 19.st. hemičari su bili dobro upućeni u osnove eksperimentalne umjetnosti, posebno metode za pročišćavanje svih vrsta tekućina i čvrstih tvari, što im je omogućilo mnoga važna otkrića. Pa ipak, hemija je počela da postaje nauka u modernom smislu te reči, egzaktna nauka, tek u 19. veku, kada je otkriven zakon višestrukih odnosa i razvijena atomsko-molekularna nauka. Od tada je hemijski eksperiment počeo da uključuje ne samo proučavanje transformacija supstanci i metoda njihovog izolovanja, već i merenje različitih kvantitativnih karakteristika.

Moderni hemijski eksperiment uključuje mnogo različitih mjerenja. Promijenjena je i oprema za izvođenje eksperimenata i hemijsko stakleno posuđe. U modernoj laboratoriji nećete naći domaće retorte - zamijenjene su standardnom staklenom opremom koju proizvodi industrija i prilagođena posebno za izvođenje određene kemijske procedure. Standardne su postale i metode rada, koje u naše vrijeme više ne mora svaki hemičar iznova izmišljati. Opis najboljih od njih, dokazan dugogodišnjim iskustvom, može se naći u udžbenicima i priručnicima.

Metode proučavanja materije postale su ne samo univerzalnije, već i mnogo raznovrsnije. Sve značajniju ulogu u radu hemičara imaju fizičke i fizičko-hemijske metode istraživanja namenjene izolovanju i prečišćavanju jedinjenja, kao i utvrđivanju njihovog sastava i strukture.

Klasična tehnika pročišćavanja supstanci bila je izuzetno radno intenzivna. Postoje slučajevi u kojima su hemičari proveli godine rada izolujući pojedinačno jedinjenje iz mešavine. Dakle, soli rijetkih zemnih elemenata mogle su se izolovati u čistom obliku tek nakon hiljada frakcionih kristalizacija. Ali čak i nakon toga, čistoća supstance nije uvek mogla biti zagarantovana.

Savremene metode hromatografije omogućavaju brzo odvajanje supstance od nečistoća (preparativna hromatografija) i proveru njenog hemijskog identiteta (analitička hromatografija). Osim toga, za pročišćavanje supstanci naširoko se koriste klasične, ali vrlo poboljšane metode destilacije, ekstrakcije i kristalizacije, kao i tako učinkovite moderne metode kao što su elektroforeza, zonsko topljenje itd.

Zadatak s kojim se susreće sintetički hemičar nakon što izoluje čistu supstancu - da ustanovi sastav i strukturu njenih molekula - u velikoj meri se odnosi na analitičku hemiju. Uz tradicionalnu tehniku ​​rada, bio je i veoma naporan. Gotovo jedina metoda mjerenja koja se ranije koristila bila je elementarna analiza, koja omogućava uspostavljanje najjednostavnije formule jedinjenja.

Da bi se odredila prava molekularna, kao i strukturna formula, često je bilo potrebno proučavati reakcije supstance sa različitim reagensima; izolovati proizvode ovih reakcija u individualnom obliku, uspostavljajući zauzvrat njihovu strukturu. I tako dalje - sve dok, na osnovu ovih transformacija, struktura nepoznate supstance nije postala očigledna. Stoga je uspostavljanje strukturne formule složenog organskog spoja često trajalo mnogo vremena, a takav se posao smatrao završenim ako je završio kontrasintezom - proizvodnjom nove tvari u skladu s formulom koja je za nju utvrđena.

Ova klasična metoda bila je izuzetno korisna za razvoj hemije uopšte. Danas se rijetko koristi. U pravilu se izolirana nepoznata supstanca, nakon elementarne analize, proučava pomoću masene spektrometrije, spektralne analize u vidljivom, ultraljubičastom i infracrvenom opsegu, kao i nuklearnom magnetnom rezonancom. Za razumno izvođenje strukturne formule potrebna je upotreba čitavog kompleksa metoda, a njihovi podaci se obično nadopunjuju. Ali u nizu slučajeva, konvencionalne metode ne daju jednoznačan rezultat, pa se mora pribjeći direktnim metodama određivanja strukture, na primjer, rendgenskom difrakcijskom analizom.

Fizičko-hemijske metode se ne koriste samo u sintetičkoj hemiji. Oni nisu ništa manje važni pri proučavanju kinetike hemijskih reakcija, kao i njihovih mehanizama. Glavni zadatak svakog eksperimenta za proučavanje brzine reakcije je precizno mjerenje vremenski promjenjive, i obično vrlo male, koncentracije reaktanta. Za rješavanje ovog problema, ovisno o prirodi tvari, možete koristiti hromatografske metode, razne vrste spektralne analize i elektrohemijske metode (vidi Analitička hemija).

Savršenstvo tehnologije dostiglo je tako visok nivo da je postalo moguće precizno odrediti brzinu čak i "trenutnih", kako se ranije vjerovalo, reakcija, na primjer, formiranja molekula vode iz vodikovih kationa i aniona. Uz početnu koncentraciju oba jona od 1 mol/l, vrijeme ove reakcije je nekoliko stotina milijarditi dio sekunde.

Fizičko-hemijske metode istraživanja su posebno prilagođene za detekciju kratkotrajnih intermedijarnih čestica koje nastaju tokom hemijskih reakcija. Da bi to učinili, uređaji su opremljeni ili uređajima za snimanje velike brzine ili priključcima koji osiguravaju rad na vrlo niskim temperaturama. Ove metode uspješno snimaju spektre čestica čiji se životni vijek u normalnim uvjetima mjeri u hiljaditim dijelovima sekunde, na primjer, slobodnih radikala.

Pored eksperimentalnih metoda, proračuni se široko koriste u modernoj hemiji. Dakle, termodinamički proračun reagujućih smeša supstanci omogućava precizno predviđanje njenog ravnotežnog sastava (vidi Hemijska ravnoteža).

Proračuni molekula zasnovani na kvantnoj mehanici i kvantnoj hemiji postali su opšteprihvaćeni iu mnogim slučajevima neophodni. Ove metode se zasnivaju na veoma složenom matematičkom aparatu i zahtevaju upotrebu najnaprednijih elektronskih računara – računara. Oni omogućavaju stvaranje modela elektronske strukture molekula koji objašnjavaju vidljiva, mjerljiva svojstva nestabilnih molekula ili međučestica formiranih tokom reakcija.

Metode za proučavanje supstanci koje su razvili hemičari i fizikalni hemičari korisni su ne samo u hemiji, već iu srodnim naukama: fizici, biologiji, geologiji. Bez njih ne mogu ni industrija, ni poljoprivreda, ni medicina, ni forenzika. Fizičko-hemijski instrumenti zauzimaju počasno mjesto na svemirskim letjelicama, uz pomoć kojih se istražuje svemir blizu Zemlje i susjedne planete.

Stoga je poznavanje osnova hemije neophodno za svaku osobu, bez obzira na njegovu profesiju, a dalji razvoj njenih metoda jedan je od najvažnijih pravaca naučne i tehnološke revolucije.