Vikten av kemiska analysmetoder. Kvantitativ analys

Föreläsningsöversikt:

1. Allmänna egenskaper hos fysikaliska och kemiska metoder

2. Allmän information om spektroskopiska analysmetoder.

3. Fotometrisk analysmetod: fotokolorimetri, kolorimetri, spektrofotometri.

4. Allmän information om nefelometriska, luminescerande, polarimetriska analysmetoder.

5. Refraktometrisk analysmetod.

6. Allmän information om masspektrala och radiometriska analyser.

7. Elektrokemiska analysmetoder (potentiometri, konduktometri, coulometri, amperometri, polarografi).

8. Kromatografisk analysmetod.

Kärnan i fysikalisk-kemiska analysmetoder. Deras klassificering.

Fysikalisk-kemiska analysmetoder, liksom kemiska metoder, bygger på att utföra en eller annan kemisk reaktion. I fysikaliska metoder är kemiska reaktioner frånvarande eller av sekundär betydelse, även om vid spektralanalys beror intensiteten hos linjerna alltid väsentligt på de kemiska reaktionerna i kolelektroden eller i gasflamman. Därför ingår ibland fysikaliska metoder i gruppen fysikalisk-kemiska metoder, eftersom det inte finns någon tillräckligt strikt entydig distinktion mellan fysikalisk och fysikalisk-kemiska metoder, och separationen av fysikaliska metoder i en separat grupp inte är av grundläggande betydelse.

Kemiska analysmetoder kunde inte tillgodose praktikens olika krav, som ökade till följd av vetenskapliga och tekniska framsteg, utvecklingen av halvledarindustrin, elektronik och datorer och den utbredda användningen av rena och ultrarena ämnen i tekniken.

Användningen av fysikaliska och kemiska analysmetoder återspeglas i den teknokemiska kontrollen av livsmedelsproduktion, i forsknings- och produktionslaboratorier. Dessa metoder kännetecknas av hög känslighet och snabb analys. De är baserade på användningen av fysikaliska och kemiska egenskaper hos ämnen.

När man utför analyser med fysikalisk-kemiska metoder bestäms ekvivalenspunkten (slutet av reaktionen) inte visuellt, utan med hjälp av instrument som registrerar förändringar i testämnets fysikaliska egenskaper vid ekvivalenspunkten. För detta ändamål används vanligtvis enheter med relativt komplexa optiska eller elektriska kretsar, varför dessa metoder kallas metoder instrumentell analys.

I många fall kräver dessa metoder ingen kemisk reaktion för att utföra analysen, till skillnad från kemiska analysmetoder. Det är bara nödvändigt att mäta indikatorerna för eventuella fysikaliska egenskaper hos det analyserade ämnet: elektrisk ledningsförmåga, ljusabsorption, ljusbrytning etc. Fysikalisk-kemiska metoder tillåter kontinuerlig övervakning av råvaror, halvfabrikat och färdiga produkter inom industrin.

Fysikalisk-kemiska analysmetoder började användas senare än kemiska analysmetoder, när förhållandet mellan ämnens fysikaliska egenskaper och deras sammansättning fastställdes och studerades.

Noggrannheten hos fysikalisk-kemiska metoder varierar mycket beroende på metod. Har den högsta noggrannheten (upp till 0,001 %) coulometri, baserat på att mäta mängden elektricitet som går åt till elektrokemisk oxidation eller reduktion av de joner eller grundämnen som bestäms. De flesta fysikalisk-kemiska metoder har ett fel inom 2-5 %, vilket överstiger felet för kemiska analysmetoder. En sådan jämförelse av fel är dock inte helt korrekt, eftersom den avser olika koncentrationsregioner. Om halten av den komponent som bestäms är liten (cirka 10-3 % eller mindre), är klassiska kemiska analysmetoder i allmänhet olämpliga; vid höga koncentrationer konkurrerar fysikalisk-kemiska metoder framgångsrikt med kemiska. En av de betydande nackdelarna med de flesta fysikalisk-kemiska metoder är den obligatoriska närvaron av standarder och standardlösningar.

Bland de fysikalisk-kemiska metoderna är de största praktiska tillämpningarna:

1. Spektrala och andra optiska metoder (refraktometri, polarimetri).

2. Elektrokemiska analysmetoder.

3. kromatografiska analysmetoder.

Dessutom finns det ytterligare två grupper av fysikaliska och kemiska metoder:

1. Radiometriska metoder baserade på mätning av radioaktiv strålning från ett givet grundämne.

2. Masspektrometriska analysmetoder baserade på bestämning av massorna av enskilda joniserade atomer, molekyler och radikaler.

Den mest omfattande när det gäller antalet metoder och den viktigaste när det gäller praktisk betydelse är gruppen spektrala och andra optiska metoder. Dessa metoder är baserade på växelverkan mellan ämnen och elektromagnetisk strålning. Det finns många olika typer av elektromagnetisk strålning: röntgenstrålning, ultraviolett, synlig, infraröd, mikrovågsugn och radiofrekvens. Beroende på typen av interaktion mellan elektromagnetisk strålning och materia klassificeras optiska metoder enligt följande.

Baserat på att mäta effekterna av polarisering av molekyler av ett ämne refraktometri, polarimetri.

De analyserade ämnena kan absorbera elektromagnetisk strålning och baserat på användningen av detta fenomen urskiljs en grupp absorptionsoptiska metoder.

Absorptionen av ljus av atomer av analyter används i atomabsorptionsanalys. Förmågan att absorbera ljus av molekyler och joner i de ultravioletta, synliga och infraröda områdena i spektrumet gjorde det möjligt att skapa molekylär absorptionsanalys (kolorimetri, fotokolorimetri, spektrofotometri).

Absorptionen och spridningen av ljus av suspenderade partiklar i lösning (suspension) ledde till uppkomsten av metoder turbidimetri och nefelometri.

Metoder baserade på att mäta intensiteten av strålning som härrör från frigörandet av energi från exciterade molekyler och atomer i analyten kallas emissionsmetoder. TILL molekylära emissionsmetoder inkluderar luminescens (fluorescens) atomutsläpp- Emissionsspektralanalys och flamfotometri.

Elektrokemiska metoder analyser baseras på mätning av elektrisk konduktivitet ( konduktometri); möjlig skillnad ( potentiometri); mängd elektricitet som passerar genom lösningen ( coulometri); det aktuella värdets beroende av den applicerade potentialen ( volt-amperometri).

Till gruppen kromatografiska analysmetoder inkluderar metoder för gas- och gas-vätskekromatografi, partition, tunnskiktskromatografi, adsorption, jonbyte och andra typer av kromatografi.

Spektroskopiska analysmetoder: allmän information

Konceptet med den spektroskopiska analysmetoden, dess varianter

Spektroskopiska analysmetoder- Fysiska metoder baserade på interaktion mellan elektromagnetisk strålning och materia. Samspelet leder till olika energiövergångar, som registreras instrumentellt i form av absorption av strålning, reflektion och spridning av elektromagnetisk strålning.

Klassificering:

Emissionsspektralanalys baseras på studiet av emissions(strålnings)spektra eller emissionsspektra för olika ämnen. En variant av denna analys är flamfotometri, som bygger på att mäta intensiteten av atomär strålning som exciteras genom att värma ett ämne i en låga.

Absorptionsspektralanalys baseras på studiet av absorptionsspektra för analyserade ämnen. Om strålning absorberas av atomer, så kallas absorption atomär, och om av molekyler, så kallas det molekylär. Det finns flera typer av absorptionsspektralanalys:

1. Spektrofotometri - tar hänsyn till absorptionen av ljus med en viss våglängd av det analyserade ämnet, d.v.s. absorption av monokromatisk strålning.

2. Fotometri - baseras på att mäta absorptionen av ljus av icke strikt monokromatisk strålning av det analyserade ämnet.

3. Kolorimetri bygger på att mäta absorptionen av ljus av färgade lösningar i den synliga delen av spektrumet.

4. Nefelometri bygger på att mäta intensiteten av ljus som sprids av fasta partiklar suspenderade i lösning, d.v.s. ljus som sprids av upphängningen.

Luminescensspektroskopi använder glöden från föremålet som studeras, vilket sker under påverkan av ultravioletta strålar.

Beroende på vilken del av spektrumabsorptionen eller emissionen som sker, särskiljs spektroskopi i de ultravioletta, synliga och infraröda områdena av spektrumet.

Spektroskopi är en känslig metod för att bestämma mer än 60 grundämnen. Den används för analys av många material, inklusive biologiska medier, växtämnen, cement, glas och naturliga vatten.

Fotometriska analysmetoder

Fotometriska analysmetoder är baserade på selektiv absorption av ljus av analyten eller dess kombination med ett lämpligt reagens. Absorptionsintensiteten kan mätas med vilken metod som helst, oberoende av den färgade föreningens natur. Metodens noggrannhet beror på mätmetoden. Det finns kolorimetriska, fotokolorimetriska och spektrofotometriska metoder.

Fotokolorimetrisk analysmetod.

Den fotokolorimetriska analysmetoden gör det möjligt att kvantifiera intensiteten av ljusabsorption av den analyserade lösningen med hjälp av fotoelektrokolorimetrar (ibland kallas de helt enkelt fotokolorimetrar). För att göra detta, förbered en serie standardlösningar och rita beroendet av ljusabsorptionen av analyten på dess koncentration. Detta beroende kallas en kalibreringsgraf. I fotokolorimetrar har ljusflöden som passerar genom en lösning ett brett absorptionsområde - 30-50 nm, så ljuset här är polykromatiskt. Detta leder till förlust av analysens reproducerbarhet, noggrannhet och selektivitet. Fördelarna med en fotokolorimeter är dess enkelhet i design och höga känslighet på grund av strålningskällans höga bländare - en glödlampa.

Kolorimetrisk analysmetod.

Den kolorimetriska analysmetoden bygger på att mäta absorptionen av ljus av ett ämne. I detta fall jämförs färgintensiteten, d.v.s. optisk densitet för testlösningen med färgen (optisk densitet) för standardlösningen, vars koncentration är känd. Metoden är mycket känslig och används för att bestämma mikro- och halvmikrokvantiteter.

Analys med den kolorimetriska metoden kräver betydligt mindre tid än den kemiska metoden.

Under visuell analys uppnås likhet mellan färgintensiteten hos den analyserade och färgade lösningen. Detta kan uppnås på 2 sätt:

1. utjämna färgen genom att ändra tjockleken på lagret;

2. välj standardlösningar med olika koncentrationer (standardseriemetoden).

Det är dock visuellt omöjligt att kvantitativt bestämma hur många gånger en lösning är mer intensivt färgad än en annan. I detta fall är det endast möjligt att fastställa samma färg på den analyserade lösningen genom att jämföra den med standardlösningen.

Grundlag för ljusabsorption.

Om ett ljusflöde, vars intensitet I 0, riktas mot en lösning placerad i ett platt glaskärl (kyvett), så reflekteras en del av det med intensitet I r från kyvettens yta, den andra delen med intensitet I a absorberas av lösningen och den tredje delen med intensitet I t passerar genom lösningen. Det finns ett samband mellan dessa kvantiteter:

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

Därför att Eftersom intensiteten I r för den reflekterade delen av ljusflödet vid arbete med identiska celler är konstant och obetydlig, kan den försummas i beräkningar. Sedan tar jämställdhet (1) formen:

I 0 = I a + I t (2)

Denna jämlikhet kännetecknar lösningens optiska egenskaper, dvs. dess förmåga att absorbera silt för att överföra ljus.

Intensiteten hos absorberat ljus beror på antalet färgade partiklar i lösningen som absorberar mer ljus än lösningsmedlet.

Ljusflödet, som passerar genom lösningen, förlorar en del av sin intensitet - ju större koncentration och tjocklek på lösningsskiktet, desto större intensitet. För färgade lösningar finns ett samband som kallas Bouguer-Lambert-Beer-lagen (mellan graden av ljusabsorption, intensiteten av det infallande ljuset, koncentrationen av det färgade ämnet och skiktets tjocklek).

Enligt denna lag är absorptionen av monokromatografiskt ljus som passerar genom ett skikt av färgad vätska proportionell mot koncentrationen och tjockleken av dess skikt:

I = I 0 10 - kCh ,

Var jag– intensiteten hos ljusflödet som passerar genom lösningen; jag 0– intensiteten hos infallande ljus; MED– koncentration, mol/l; h– lagertjocklek, centimeter; k– molär absorptionskoefficient.

Molär absorptionskoefficient k– optisk densitet för en lösning som innehåller 1 mol/l absorberande ämne, med en lagertjocklek på 1 centimeter. Det beror på den kemiska naturen och fysikaliska tillståndet hos ämnet som absorberar ljus och på våglängden hos monokromatiskt ljus.

Standardseriemetoden.

Standardseriemetoden bygger på att man erhåller samma färgintensitet för testet och standardlösningar vid samma skikttjocklek. Färgen på testlösningen jämförs med färgen på ett antal standardlösningar. Vid samma färgintensitet är koncentrationerna av testet och standardlösningarna lika.

För att förbereda en serie standardlösningar, ta 11 provrör av samma form, storlek och från samma glas. Häll en standardlösning från en byrett i gradvis ökande mängder, till exempel: i 1 provrör 0,5 ml, i 2:an 1 ml, i 3:an 1,5 ml, etc. - innan 5 ml(varje efterföljande provrör innehåller 0,5 ml mer än det föregående). Lika volymer av en lösning hälls i alla provrör, vilket ger en färgreaktion med jonen som bestäms. Lösningarna späds så att vätskenivåerna i alla provrör är desamma. Provrören försluts, innehållet blandas noggrant och placeras i ett ställ i ökande koncentrationer. På så sätt erhålls en färgskala.

Samma mängd reagens tillsätts till testlösningen i samma provrör och späds med vatten till samma volym som i de andra provrören. Förslut med propp och blanda innehållet ordentligt. Färgen på testlösningen jämförs med färgen på standardlösningar på en vit bakgrund. Lösningar bör vara väl upplysta med diffust ljus. Om färgintensiteten för testlösningen sammanfaller med färgintensiteten för en av lösningarna på färgskalan, är koncentrationerna av denna och testlösningarna lika. Om färgintensiteten hos lösningen som studeras ligger mellan intensiteten av två närliggande lösningar på skalan, är dess koncentration lika med medelkoncentrationen av dessa lösningar.

Användningen av standardlösningsmetoden rekommenderas endast för massbestämning av ett ämne. Den förberedda serien av standardlösningar varar relativt kort tid.

Metod för att utjämna färgintensiteten hos lösningar.

Metoden för att utjämna färgintensiteten för testet och standardlösningarna utförs genom att ändra höjden på skiktet i en av lösningarna. För att göra detta placeras färgade lösningar i 2 identiska kärl: testlösningen och standardlösningen. Ändra höjden på lösningslagret i ett av kärlen tills färgintensiteten i båda lösningarna blir densamma. I detta fall bestäms koncentrationen av testlösning C. , jämföra den med koncentrationen av standardlösningen:

Med forskning = C st h st / h issl,

där h st och h test är höjden på lagret av standarden respektive testlösningen.

Instrument som används för att bestämma koncentrationerna av testlösningar genom att utjämna färgintensiteten kallas kolorimetrar.

Det finns visuella och fotoelektriska kolorimetrar. Vid visuella kolorimetriska bestämningar mäts färgintensiteten genom direkt observation. Fotoelektriska metoder är baserade på användningen av fotoceller-fotokolorimetrar. Beroende på intensiteten av den infallande ljusstrålen uppstår en elektrisk ström i fotocellen. Strömmen som orsakas av exponering för ljus mäts med en galvanometer. Pilens avvikelse indikerar färgens intensitet.

Spektrofotometri.

Fotometrisk metod baseras på att mäta absorptionen av ljus från ljus som inte är strikt monokromatiskt av analyten.

Om monokromatisk strålning (strålning med en våglängd) används i den fotometriska analysmetoden, kallas denna metod spektrofotometri. Graden av monokromaticitet för flödet av elektromagnetisk strålning bestäms av det minsta våglängdsintervallet, som särskiljs av den monokromator som används (filter, diffraktionsgitter eller prisma) från det kontinuerliga flödet av elektromagnetisk strålning.

TILL spektrofotometri omfattar även området mätteknik, som kombinerar spektrometri, fotometri och metrologi och är engagerad i utvecklingen av ett system av metoder och instrument för kvantitativa mätningar av spektral absorption, reflektion, emission, spektral ljusstyrka som egenskaper hos media, beläggningar, ytor, utsändare.

Stadier av spektrofotometrisk forskning:

1) att utföra en kemisk reaktion för att erhålla system lämpliga för spektrofotometrisk analys;

2) mätning av absorptionen av de resulterande lösningarna.

Kärnan i spektrofotometrimetoden

Beroendet av absorptionen av en lösning av ett ämne på våglängden visas på grafen i form av ett absorptionsspektrum av ämnet, på vilket det är lätt att identifiera absorptionsmaximum beläget vid våglängden av ljus som absorberas maximalt av ämnet. Mätning av den optiska densiteten för lösningar av ämnen med hjälp av spektrofotometrar utförs vid våglängden för maximal absorption. Detta gör det möjligt att i en lösning analysera ämnen vars absorptionsmaxima ligger vid olika våglängder.

Ultraviolett-synlig spektrofotometri använder elektroniska absorptionsspektra.

De kännetecknar de högsta energiövergångar som ett begränsat antal föreningar och funktionella grupper är kapabla till. I oorganiska föreningar är elektroniska spektra förknippade med hög polarisering av atomerna som ingår i ämnets molekyl, och uppträder vanligtvis i komplexa föreningar. I organiska föreningar orsakas uppkomsten av elektroniska spektra av övergången av elektroner från marken till exciterade nivåer.

Positionen och intensiteten av absorptionsbanden påverkas starkt av jonisering. Under sur jonisering uppträder ytterligare ett ensamt elektronpar i molekylen, vilket leder till en ytterligare batokromisk förskjutning (förskjutning till spektrumets långvåglängdsregion) och en ökning av absorptionsbandets intensitet.

Spektrum av många ämnen har flera absorptionsband.

För spektrofotometriska mätningar i de ultravioletta och synliga områdena används två typer av instrument - icke-registrering(resultatet observeras visuellt på instrumentskalan) och registrerar spektrofotometrar.

Luminescerande analysmetod.

Luminescens- förmågan att lysa självständigt, som uppstår under olika influenser.

Klassificering av processer som orsakar luminescens:

1) fotoluminescens (excitering av synligt eller ultraviolett ljus);

2) kemiluminescens (excitation på grund av energin från kemiska reaktioner);

3) katodoluminescens (excitering genom elektronpåverkan);

4) termoluminescens (excitering genom upphettning);

5) triboluminescens (excitering genom mekanisk verkan).

Vid kemisk analys är de två första typerna av luminescens viktiga.

Klassificering av luminescens genom närvaron av efterglöd. Det kan sluta omedelbart när excitationen försvinner - fluorescens eller fortsätta under en viss tid efter det att det stimulerande inflytandet upphört - fosforescens. Främst används fenomenet fluorescens, varför metoden kallas fluorimetri.

Tillämpningar av fluorimetri: analys av spår av metaller, organiska (aromatiska) föreningar, vitaminer D, B 6. Fluorescerande indikatorer används vid titrering i grumliga eller mörkfärgade medier (titrering utförs i mörker och belyser den titrerade lösningen som indikatorn tillsätts med ljuset från en lysrör).

Nefelometrisk analys.

Nefelometri föreslog av F. Kober 1912 och bygger på att mäta intensiteten av ljus som sprids av en suspension av partiklar med hjälp av fotoceller.

Nefelometri används för att mäta koncentrationen av ämnen som är olösliga i vatten men bildar stabila suspensioner.

För att utföra nefelometriska mätningar används de nefelometrar, liknar i princip kolorimetrar, med den enda skillnaden den med nefelometri

När man genomför fotonefelometrisk analys Först, baserat på resultaten av att bestämma en serie standardlösningar, konstrueras en kalibreringsgraf, sedan analyseras testlösningen och koncentrationen av analyten bestäms från grafen. För att stabilisera de resulterande suspensionerna tillsätts en skyddande kolloid - en lösning av stärkelse, gelatin etc.

Polarimetrisk analys.

Elektromagnetiska vibrationer av naturligt ljus förekommer i alla plan vinkelrätt mot strålens riktning. Kristallgittret har förmågan att överföra strålar endast i en viss riktning. När strålen lämnar kristallen svänger strålen endast i ett plan. En stråle vars svängningar är i samma plan kallas polariserad. Planet där vibrationer uppstår kallas svängningsplan polariserad stråle, och planet vinkelrätt mot det är polarisationsplan.

Den polarimetriska analysmetoden är baserad på studiet av polariserat ljus.

Refraktometrisk analysmetod.

Den refraktometriska analysmetoden är baserad på bestämning av brytningsindex för ämnet som studeras, eftersom ett enskilt ämne kännetecknas av ett visst brytningsindex.

Tekniska produkter innehåller alltid föroreningar som påverkar brytningsindex. Därför kan brytningsindex i vissa fall tjäna som en egenskap för produktens renhet. Till exempel kännetecknas kvaliteter av renad terpentin genom deras brytningsindex. Således är brytningsindexen för terpentin vid 20° för färgen gul, betecknad med n 20 D (inmatningen betyder att brytningsindexet mättes vid 20°C, våglängden för det infallande ljuset är 598 mmk), är lika med:

Första klass Andra klass Tredje klass

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

Den refraktometriska analysmetoden kan användas för dubbla system, till exempel för att bestämma koncentrationen av ett ämne i vattenhaltiga eller organiska lösningar. I detta fall är analysen baserad på beroendet av lösningens brytningsindex på koncentrationen av det lösta ämnet.

För vissa lösningar finns tabeller över brytningsindexens beroende av deras koncentration. I andra fall analyseras de med hjälp av kalibreringskurvmetoden: en serie lösningar med kända koncentrationer bereds, deras brytningsindex mäts och en graf över brytningsindexen mot koncentrationen plottas, d.v.s. konstruera en kalibreringskurva. Den används för att bestämma koncentrationen av testlösningen.

Brytningsindex.

När en ljusstråle passerar från ett medium till ett annat ändras dess riktning. Den är bruten. Brytningsindexet är lika med förhållandet mellan sinus för infallsvinkeln och sinus för brytningsvinkeln (detta värde är konstant och karakteristiskt för ett givet medium):

n = sin α / sin β,

där α och β är vinklarna mellan strålarnas riktning och vinkelrät mot gränsytan mellan båda medierna (Fig. 1)

Brytningsindex är förhållandet mellan ljusets hastighet i luft och i mediet som studeras (om en ljusstråle faller från luft).

Brytningsindex beror på:

1. våglängd för infallande ljus (med ökande våglängdsindikator

brytning minskar);

2. temperatur (med ökande temperatur minskar brytningsindexet);

3. tryck (för gaser).

Vid beteckning av brytningsindex indikeras våglängden för det infallande ljuset och mättemperaturen. Att till exempel skriva n 20 D betyder att brytningsindexet mättes vid 20 ° C, våglängden för det infallande ljuset är 598 mmk. I tekniska referensböcker anges brytningsindex vid n 20 D.

Bestämning av brytningsindex för en vätska.

Innan arbetet påbörjas tvättas refraktometerprismornas yta med destillerat vatten och alkohol, enhetens nollpunkt kontrolleras korrekt och brytningsindexet för vätskan som studeras bestäms. För att göra detta, torka försiktigt av ytan på mätprismat med en bomullspinne fuktad med testvätskan och applicera några droppar av den på denna yta. Prismorna stängs och genom att rotera dem dras gränsen av ljus och skugga på okulartrådarnas kors. Kompensatorn eliminerar spektrumet. Vid beräkning av brytningsindex tas tre decimaler på refraktometerskalan, och den fjärde tas med ögat. Sedan flyttar de gränsen för chiaroscuro, riktar den igen mot mitten av maskkorset och tar en andra räkning. Den där. gör 3 eller 5 avläsningar, varefter prismornas arbetsytor tvättas och torkas. Testämnet appliceras återigen på ytan av mätprismat och en andra serie mätningar utförs. Det aritmetiska medelvärdet tas från erhållna data.

Radiometrisk analys.

Radiometrisk analys h baseras på mätning av strålning från radioaktiva grundämnen och används för kvantitativ bestämning av radioaktiva isotoper i det material som studeras. I detta fall mäts antingen den naturliga radioaktiviteten hos det grundämne som bestäms eller den artificiella radioaktivitet som erhålls med radioaktiva isotoper.

Radioaktiva isotoper identifieras genom deras halveringstid eller genom typen och energin av strålning som sänds ut. Vid utövandet av kvantitativ analys mäts aktiviteten hos radioaktiva isotoper oftast genom deras α-, β- och γ-strålning.

Tillämpningar av radiometrisk analys:

Studie av mekanismen för kemiska reaktioner.

Metoden för märkta atomer används för att studera effektiviteten av olika metoder för att applicera gödningsmedel på jorden, vägarna för penetration av mikroelement som appliceras på en växts blad i kroppen, etc. Radioaktiv fosfor 32 P och kväve 13 N används särskilt i stor utsträckning inom agrokemisk forskning.

Analys av radioaktiva isotoper som används för behandling av cancer och för bestämning av hormoner och enzymer.

Massspektral analys.

Baserat på att bestämma massorna av enskilda joniserade atomer, molekyler och radikaler som ett resultat av den kombinerade verkan av elektriska och magnetiska fält. Registrering av separerade partiklar utförs med elektriska (masspektrometri) eller fotografiska (masspektrografi) metoder. Bestämningen utförs med hjälp av instrument - masspektrometrar eller masspektrografer.

Elektrokemiska analysmetoder.

Elektrokemiska metoder för analys och forskning är baserade på studier och användning av processer som sker på elektrodens yta eller i elektrodnära utrymmet. Analytisk signal- elektrisk parameter (potential, ström, resistans), som beror på koncentrationen av ämnet som bestäms.

Skilja på hetero Och indirekta elektrokemiska metoder. I direkta metoder används strömstyrkans beroende av koncentrationen av den komponent som bestäms. I indirekta mäts strömstyrkan (potentialen) för att hitta slutpunkten för titreringen (ekvivalenspunkten) för den komponent som bestäms av titreringen.

Elektrokemiska analysmetoder inkluderar:

1. potentiometri;

2. konduktometri;

3. kulometri;

4. amperometri;

5. polarografi.

Elektroder som används i elektrokemiska metoder.

1. Referenselektrod och indikatorelektrod.

Referenselektrod– Det här är en elektrod med konstant potential, okänslig för lösningjoner. Referenselektroden har en reproducerbar potential som är stabil över tiden och förändras inte när en liten ström passerar, och indikatorelektrodens potential rapporteras i förhållande till den. Silverklorid- och kalomelelektroder används. Silverkloridelektrod är en silvertråd belagd med ett lager av AgCl och placerad i en KCl-lösning. Elektrodpotentialen bestäms av koncentrationen av klorjon i lösningen:

Kalomelelektroden består av metalliskt kvicksilver, kalomel och en KCI-lösning. Elektrodpotentialen beror på koncentrationen av kloridjoner och temperatur.

Indikatorelektrod– Det här är en elektrod som reagerar på koncentrationen av detekterade joner. Indikatorelektroden ändrar sin potential med förändringar i koncentrationen av "potentialbestämmande joner". Indikatorelektroder är indelade i irreversibel och reversibel. Potentiella hopp av reversibla indikatorelektroder vid gränssnitten beror på aktiviteten hos deltagare i elektrodreaktioner i enlighet med termodynamiska ekvationer; jämvikten etableras ganska snabbt. Irreversibla indikatorelektroder uppfyller inte kraven för reversibla elektroder. Inom analytisk kemi används reversibla elektroder, för vilka Nernst-ekvationen är uppfylld.

2. Metallelektroder: elektronbyte och jonbyte.

elektronutbyte elektrod vid gränssnittet sker en reaktion med deltagande av elektroner. Elektronbyteselektroder är uppdelade i elektroder första sorten och elektroder andra sorten. Elektroder av det första slaget är en metallplatta (silver, kvicksilver, kadmium) nedsänkt i en lösning av ett mycket lösligt salt av denna metall. Elektroder av den andra typen är metallbelagda med ett skikt av en svårlöslig förening av denna metall och nedsänkt i en lösning av en mycket löslig förening med samma anjon (silverklorid, kalomelelektroder).

Jonbytarelektroder- elektroder, vars potential beror på förhållandet mellan koncentrationerna av de oxiderade och reducerade formerna av ett eller flera ämnen i lösning. Sådana elektroder är gjorda av inerta metaller, såsom platina eller guld.

3. Membranelektroder De är en porös platta impregnerad med en vätska som är oblandbar med vatten och som kan selektivt adsorbera vissa joner (till exempel lösningar av Ni 2+, Cd 2+, Fe 2+ kelater i en organisk lösning). Funktionen av membranelektroder är baserad på förekomsten av en potentialskillnad vid gränsytan och upprättandet av utbytesjämvikt mellan membranet och lösningen.

Potentiometrisk analysmetod.

Den potentiometriska analysmetoden är baserad på att mäta potentialen hos en elektrod nedsänkt i en lösning. Vid potentiometriska mätningar bildas en galvanisk cell med en indikatorelektrod och en referenselektrod och den elektromotoriska kraften (EMF) mäts.

Typer av potentiometri:

Direkt potentiometri används för att direkt bestämma koncentrationen baserat på potentialen hos indikatorelektroden, förutsatt att elektrodprocessen är reversibel.

Indirekt potentiometri baseras på det faktum att en förändring i jonkoncentrationen åtföljs av en förändring av potentialen vid elektroden nedsänkt i den titrerade lösningen.

Vid potentiometrisk titrering detekteras slutpunkten av ett potentialhopp orsakat av ersättningen av en elektrokemisk reaktion med en annan i enlighet med värdena för E° (standardelektrodpotential).

Potentialvärdet beror på koncentrationen av motsvarande joner i lösningen. Till exempel ändras potentialen för en silverelektrod nedsänkt i en silversaltlösning med koncentrationen av Ag + joner i lösningen. Därför, genom att mäta potentialen för en elektrod nedsänkt i en lösning av ett givet salt med okänd koncentration, är det möjligt att bestämma innehållet av motsvarande joner i lösningen.

Elektroden, av vilken potential koncentrationen av de bestämda jonerna i lösningen bedöms, kallas indikatorelektrod.

Indikatorelektrodens potential bestäms genom att jämföra den med potentialen för en annan elektrod, som brukar kallas referenselektrod. Som referenselektrod kan endast en elektrod användas vars potential förblir oförändrad när koncentrationen av jonerna som bestäms ändras. En standard (normal) väteelektrod används som referenselektrod.

I praktiken används ofta en kalomelelektrod snarare än en väteelektrod som referenselektrod med ett känt värde på elektrodpotentialen (fig. 1). Potentialen för en kalomelelektrod med en mättad CO-lösning vid 20 °C är 0,2490 V.

Konduktometrisk analysmetod.

Den konduktometriska analysmetoden bygger på att mäta den elektriska ledningsförmågan hos lösningar, som förändras till följd av kemiska reaktioner.

En lösnings elektriska ledningsförmåga beror på elektrolytens natur, dess temperatur och koncentrationen av det lösta ämnet. Den elektriska ledningsförmågan hos utspädda lösningar beror på rörelsen av katjoner och anjoner, kännetecknad av olika rörlighet.

Med ökande temperatur ökar den elektriska ledningsförmågan när jonernas rörlighet ökar. Vid en given temperatur beror den elektriska ledningsförmågan hos en elektrolytlösning på dess koncentration: som regel, ju högre koncentrationen är, desto större är den elektriska ledningsförmågan! Följaktligen tjänar den elektriska ledningsförmågan för en given lösning som en indikator på koncentrationen av det lösta ämnet och bestäms av jonernas rörlighet.

I det enklaste fallet med konduktometrisk kvantifiering, när lösningen endast innehåller en elektrolyt, ritas en graf över beroendet av analytlösningens elektriska ledningsförmåga på dess koncentration. Efter att ha bestämt testlösningens elektriska ledningsförmåga, hittas koncentrationen av analyten från grafen.

Således ändras den elektriska ledningsförmågan hos barytvatten i direkt proportion till innehållet av Ba(OH) 2 i lösningen. Detta beroende uttrycks grafiskt med en rak linje. För att bestämma Ba(OH)2-halten i barytvatten med okänd koncentration är det nödvändigt att bestämma dess elektriska ledningsförmåga och, med hjälp av kalibreringsdiagrammet, hitta den Ba(OH)2-koncentration som motsvarar detta elektriska konduktivitetsvärde. Om en uppmätt volym gas som innehåller koldioxid passerar genom en lösning av Ba(OH) 2, vars elektriska ledningsförmåga är känd, reagerar CO 2 med Ba(OH) 2:

Ba(OH)2 + CO2 → BaCO3 + H20

Som ett resultat av denna reaktion kommer innehållet av Ba(OH) 2 i lösningen att minska och den elektriska ledningsförmågan hos barytvatten minskar. Genom att mäta barytvattnets elektriska ledningsförmåga efter att det absorberat CO 2 kan man avgöra hur mycket koncentrationen av Ba(OH) 2 i lösningen har minskat. Baserat på skillnaden i koncentrationerna av Ba(OH) 2 i barytvatten är det lätt att beräkna mängden absorberat

Analys av ett ämne kan utföras för att bestämma dess kvalitativa eller kvantitativa sammansättning. I enlighet härmed skiljer man mellan kvalitativ och kvantitativ analys.

Kvalitativ analys gör det möjligt att fastställa vilka kemiska grundämnen det analyserade ämnet består av och vilka joner, grupper av atomer eller molekyler som ingår i dess sammansättning. När man studerar sammansättningen av ett okänt ämne, föregår en kvalitativ analys alltid en kvantitativ, eftersom valet av en metod för kvantitativ bestämning av beståndsdelarna i det analyserade ämnet beror på data som erhålls från dess kvalitativa analys.

Kvalitativ kemisk analys är mestadels baserad på omvandlingen av analyten till någon ny förening som har karakteristiska egenskaper: färg, ett visst fysiskt tillstånd, kristallin eller amorf struktur, en specifik lukt, etc. Den kemiska omvandlingen som sker kallas en kvalitativ analytisk reaktion, och de ämnen som orsakar denna omvandling kallas reagens (reagens).

När man analyserar en blandning av flera ämnen med liknande kemiska egenskaper separeras de först och först därefter utförs karakteristiska reaktioner på enskilda ämnen (eller joner), så kvalitativ analys omfattar inte bara individuella reaktioner för att detektera joner, utan också metoder för deras separation .

Kvantitativ analys gör det möjligt att fastställa kvantitativa samband mellan delarna av en given förening eller blandning av ämnen. Till skillnad från kvalitativ analys gör kvantitativ analys det möjligt att bestämma innehållet av enskilda komponenter i analyten eller det totala innehållet av analyten i den produkt som studeras.

Metoder för kvalitativ och kvantitativ analys som gör det möjligt att bestämma innehållet av enskilda element i det analyserade ämnet kallas analyselement; funktionella grupper - funktionell analys; individuella kemiska föreningar som kännetecknas av en viss molekylvikt - molekylär analys.

En uppsättning olika kemiska, fysikaliska och fysikaliskkemiska metoder för att separera och bestämma individuella strukturella (fas)komponenter i heterogena system som skiljer sig i egenskaper och fysikalisk struktur och begränsas från varandra av gränssnitt kallas fasanalys.

Metoder för kvalitativ analys

Vid kvalitativ analys används ämnets karakteristiska kemiska eller fysikaliska egenskaper för att bestämma sammansättningen av ämnet som studeras. Det finns absolut inget behov av att isolera de upptäckbara elementen i sin rena form för att upptäcka deras närvaro i det analyserade ämnet. Men isolering av rena metaller, icke-metaller och deras föreningar används ibland i kvalitativ analys för att identifiera dem, även om denna analysmetod är mycket svår. För att upptäcka enskilda element används enklare och mer bekväma analysmetoder, baserade på kemiska reaktioner som är karakteristiska för jonerna av dessa element och som sker under strikt definierade förhållanden.

Ett analytiskt tecken på närvaron av det önskade elementet i den analyserade föreningen är frigörandet av en gas med en specifik lukt; i den andra bildandet av en fällning som kännetecknas av en viss färg.

Reaktioner mellan fasta ämnen och gaser. Analytiska reaktioner kan ske inte bara i lösningar, utan mellan fasta och även gasformiga ämnen.

Ett exempel på en reaktion mellan fasta ämnen är reaktionen av frisättning av metalliskt kvicksilver när dess torra salter värms upp med natriumkarbonat. Bildandet av vit rök när ammoniakgas reagerar med väteklorid kan tjäna som ett exempel på en analytisk reaktion som involverar gasformiga ämnen.

Reaktioner som används i kvalitativ analys kan delas in i följande grupper.

1. Utfällningsreaktioner åtföljda av bildandet av utfällning av olika färger. Till exempel:

CaC2O4 - vit

Fe43 - blå,

CuS - brun - gul

HgI2 - röd

MnS - naken - rosa

PbI2 - gyllene

De resulterande fällningarna kan skilja sig åt i en viss kristallin struktur, löslighet i syror, alkalier, ammoniak, etc.

2. Reaktioner som åtföljs av bildning av gaser med känd lukt, löslighet etc.

3. Reaktioner åtföljda av bildandet av svaga elektrolyter. Bland sådana reaktioner, som ett resultat av vilka bildas: CH3COOH, H2F2, NH4OH, HgCl2, Hg(CN)2, Fe(SCN)3, etc. Reaktioner av samma typ kan betraktas som reaktioner av syra-basinteraktion, åtföljd av bildning av neutrala vattenmolekyler, reaktioner av bildning av gaser och svårlösliga fällningar i vatten och komplexbildningsreaktioner.

4. Reaktioner av syra-bas-interaktion, åtföljd av överföring av protoner.

5. Komplexbildningsreaktioner åtföljda av tillägg av olika legender - joner och molekyler - till atomerna i det komplexbildande medlet.

6. Komplexbildningsreaktioner associerade med syra-basinteraktion

7. Oxidation - reduktionsreaktioner, åtföljda av överföring av elektroner.

8. Oxidations-reduktionsreaktioner associerade med syra-bas-interaktion.

9. Oxidation - reduktionsreaktioner i samband med komplexbildning.

10. Oxidation - reduktionsreaktioner, åtföljda av bildandet av utfällning.

11. Jonbytarreaktioner som inträffar på katjonbytare eller anjonbytare.

12. Katalytiska reaktioner som används i kinetiska analysmetoder

Våt och torr analys

Reaktioner som används i kvalitativ kemisk analys utförs oftast i lösningar. Analyten löses först och sedan behandlas den resulterande lösningen med lämpliga reagens.

För att lösa upp ämnet som analyseras används destillerat vatten, ättik- och mineralsyror, regenvatten, vattenhaltig ammoniak, organiska lösningsmedel etc. Renheten hos de använda lösningsmedlen är viktig för att få korrekta resultat.

Ämnet som överförs till lösningen utsätts för systematisk kemisk analys. En systematisk analys består av en serie preliminära tester och sekventiella reaktioner.

Kemisk analys av testämnen i lösningar kallas våtanalys.

I vissa fall analyseras ämnen torra, utan att de överförs till lösning. Oftast handlar en sådan analys om att testa ett ämnes förmåga att färga en färglös brännarlåga i en karakteristisk färg eller ge en viss färg till smältan (den så kallade pärlan) som erhålls genom att värma ämnet med natriumtetraborat (borax) ) eller natriumfosfat ("fosforsalt") i en platinaöratråd.

Kemisk och fysikalisk metod för kvalitativ analys.

Kemiska analysmetoder. Metoder för att bestämma sammansättningen av ämnen baserat på användningen av deras kemiska egenskaper kallas kemiska analysmetoder.

Kemiska analysmetoder används i stor utsträckning i praktiken. De har dock ett antal nackdelar. För att bestämma sammansättningen av ett givet ämne är det därför ibland nödvändigt att först separera komponenten som bestäms från främmande föroreningar och isolera den i sin rena form. Att isolera ämnen i sin rena form är ofta en mycket svår och ibland omöjlig uppgift. Dessutom, för att bestämma små mängder föroreningar (mindre än 10-4%) som finns i det analyserade ämnet, är det ibland nödvändigt att ta stora prover.

Fysiska analysmetoder. Närvaron av ett visst kemiskt element i ett prov kan detekteras utan att tillgripa kemiska reaktioner, direkt baserade på studiet av de fysikaliska egenskaperna hos ämnet som studeras, till exempel färgningen av en färglös brännarlåga i karakteristiska färger av flyktiga föreningar av vissa kemiska grundämnen.

Analysmetoder som kan användas för att bestämma sammansättningen av ämnet som studeras utan att tillgripa kemiska reaktioner kallas fysikaliska analysmetoder. Fysiska analysmetoder inkluderar metoder baserade på studier av optiska, elektriska, magnetiska, termiska och andra fysikaliska egenskaper hos de ämnen som analyseras.

De mest använda fysiska analysmetoderna inkluderar följande.

Spektral kvalitativ analys. Spektralanalys baseras på observation av emissionsspektra (emission eller emissionsspektra) för de grundämnen som utgör ämnet som analyseras.

Luminescerande (fluorescerande) kvalitativ analys. Luminescensanalys är baserad på observation av luminescens (emission av ljus) av analyter orsakad av inverkan av ultravioletta strålar. Metoden används för att analysera naturliga organiska föreningar, mineraler, mediciner, ett antal grundämnen m.m.

För att excitera glöden bestrålas ämnet som studeras eller dess lösning med ultravioletta strålar. I det här fallet går ämnets atomer, efter att ha absorberat en viss mängd energi, in i ett exciterat tillstånd. Detta tillstånd kännetecknas av en större energitillförsel än materiens normala tillstånd. När ett ämne övergår från ett exciterat till ett normalt tillstånd uppstår luminescens på grund av överskottsenergi.

Luminescens som avtar mycket snabbt efter att bestrålningen upphört kallas fluorescens.

Genom att observera arten av den luminiscerande glöden och mäta intensiteten eller ljusstyrkan hos luminescensen hos en förening eller dess lösningar, kan man bedöma sammansättningen av ämnet som studeras.

I vissa fall görs bestämningar baserade på studiet av fluorescens som ett resultat av att ämnets interaktion bestäms med vissa reagenser. Luminescensindikatorer är också kända, som används för att bestämma omgivningens reaktion genom förändringar i lösningens fluorescens. Luminescerande indikatorer används i studien av färgade medier.

Röntgendiffraktionsanalys. Med hjälp av röntgenstrålar är det möjligt att bestämma storleken på atomer (eller joner) och deras relativa positioner i molekylerna i provet som studeras, det vill säga det är möjligt att bestämma strukturen av kristallgittret, sammansättningen av ämnet och ibland förekomsten av föroreningar i den. Metoden kräver inte kemisk behandling av ämnet eller stora mängder.

Masspektrometrisk analys. Metoden bygger på bestämning av enskilda joniserade partiklar som avböjs av ett elektromagnetiskt fält i större eller mindre utsträckning beroende på förhållandet mellan deras massa och laddning (för mer information, se bok 2).

Fysiska analysmetoder, som har ett antal fördelar jämfört med kemiska, gör det i vissa fall möjligt att lösa problem som inte kan lösas med metoder för kemisk analys; Med hjälp av fysikaliska metoder är det möjligt att separera grundämnen som är svåra att separera med kemiska metoder, samt att kontinuerligt och automatiskt registrera avläsningar. Mycket ofta används fysikaliska analysmetoder tillsammans med kemiska, vilket gör det möjligt att använda fördelarna med båda metoderna. Kombinationen av metoder är särskilt viktig vid bestämning av små mängder (spår) av föroreningar i analyserade föremål.

Makro-, semi-mikro- och mikrometoder

Analys av stora och små mängder av testämnet. Förr använde kemister stora mängder av ämnet som studerades för analys. För att bestämma sammansättningen av ett ämne togs prover på flera tiotals gram och löstes i en stor volym vätska. Detta krävde kemikaliebehållare med lämplig kapacitet.

För närvarande nöjer sig kemister med små mängder ämnen i analytisk praktik. Beroende på mängden analyt, volymen av lösningar som används för analys, och främst på den experimentella tekniken som används, delas analysmetoder in i makro-, semi-mikro- och mikrometoder.

När du utför en analys med makrometoden, för att utföra reaktionen, ta flera milliliter av en lösning som innehåller minst 0,1 g av ämnet och tillsätt minst 1 ml av reagenslösningen till testlösningen. Reaktioner utförs i provrör. Vid utfällning erhålls voluminösa sediment, som separeras genom filtrering genom trattar med pappersfilter.

Droppanalys

Teknik för att utföra reaktioner i droppanalys. Den så kallade droppanalysen, införd i analytisk praktik av N. A. Tananaev, har fått stor betydelse inom analytisk kemi.

När man arbetar med denna metod är fenomenen kapilläritet och adsorption av stor betydelse, med vars hjälp det är möjligt att öppna och separera olika joner när de är närvarande tillsammans. Vid droppanalys utförs individuella reaktioner på porslins- eller glasplattor eller på filterpapper. I detta fall appliceras en droppe av testlösningen och en droppe av reagenset som orsakar karakteristisk färgning eller bildning av kristaller på plattan eller papperet.

När reaktionen utförs på filterpapper används papperets kapillära adsorptionsegenskaper. Vätskan absorberas av papperet och den resulterande färgade föreningen adsorberas på en liten del av papperet, vilket resulterar i en ökad känslighet för reaktionen.

Mikrokristalloskopisk analys

Den mikrokristalloskopiska analysmetoden är baserad på detektering av katjoner och anjoner genom en reaktion som resulterar i bildandet av en förening med en karakteristisk kristallform.

Tidigare användes denna metod i kvalitativ mikrokemisk analys. För närvarande används det också i droppanalys.

Ett mikroskop används för att undersöka de bildade kristallerna i mikrokristalloskopisk analys.

Kristaller med karakteristisk form används när man arbetar med rena ämnen genom att tillsätta en droppe av en lösning eller en kristall av ett reagens till en droppe av testämnet placerad på en glasskiva. Efter en tid visas tydligt synliga kristaller av en viss form och färg.

Pulvermalningsmetod

För att detektera vissa grundämnen används ibland metoden att mala en pulverformig analyt med ett fast reagens i en porslinsplatta. Elementet som öppnas upptäcks genom bildandet av karakteristiska föreningar som skiljer sig i färg eller lukt.

Analysmetoder baserade på uppvärmning och sammansmältning av materia

Pyrokemisk analys. För analys av ämnen används också metoder baserade på uppvärmning av testfastämnet eller dess sammansmältning med lämpliga reagenser. När de värms upp smälter vissa ämnen vid en viss temperatur, andra sublimeras, och på enhetens kalla väggar uppträder en utfällning som är karakteristisk för varje ämne; vissa föreningar sönderdelas vid upphettning och frigör gasformiga produkter etc.

När analyten värms upp i en blandning med lämpliga reagens uppstår reaktioner som åtföljs av en förändring i färg, frigöring av gasformiga produkter och bildning av metaller.

Spektral kvalitativ analys

Förutom den ovan beskrivna metoden att observera med blotta ögat färgningen av en färglös låga när en platinatråd med en analyserad substans införs i den, används för närvarande i stor utsträckning andra metoder för att studera ljus som emitteras av heta ångor eller gaser. Dessa metoder bygger på användning av speciella optiska instrument, vars beskrivning ges i fysikkursen. I den här typen av spektrala enheter bryts ljus med olika våglängder som sänds ut av ett prov av ett ämne som värms upp i en låga ner till ett spektrum.

Beroende på metoden att observera spektrumet kallas spektrala instrument för spektroskop, med hjälp av vilka spektrumet observeras visuellt, eller spektrografer, där spektra fotograferas.

Kromatografisk metodanalys

Metoden är baserad på selektiv absorption (adsorption) av enskilda komponenter i den analyserade blandningen av olika adsorbenter. Adsorbenter är fasta ämnen på vars yta det adsorberade ämnet absorberas.

Kärnan i den kromatografiska analysmetoden är kortfattat som följer. En lösning av en blandning av ämnen som ska separeras leds genom ett glasrör (adsorptionskolonn) fyllt med en adsorbent.

Kinetiska analysmetoder

Analysmetoder baserade på att mäta reaktionshastigheten och använda dess värde för att bestämma koncentrationen kombineras under det allmänna namnet kinetiska analysmetoder (K. B. Yatsimirsky).

Kvalitativ detektering av katjoner och anjoner med kinetiska metoder utförs ganska snabbt och relativt enkelt, utan användning av komplexa instrument.

Studiet av ämnen är en ganska komplex och intressant fråga. När allt kommer omkring finns de nästan aldrig i naturen i sin rena form. Oftast är dessa blandningar av komplex sammansättning, där separationen av komponenter kräver vissa ansträngningar, färdigheter och utrustning.

Efter separation är det lika viktigt att korrekt avgöra om ett ämne tillhör en viss klass, det vill säga att identifiera det. Bestäm kok- och smältpunkter, beräkna molekylvikt, testa för radioaktivitet och så vidare, i allmänhet, forskning. För detta ändamål används olika metoder, inklusive fysikalisk-kemiska analysmetoder. De är ganska olika och kräver vanligtvis användning av specialutrustning. De kommer att diskuteras vidare.

Fysikalisk-kemiska analysmetoder: allmänt begrepp

Vilka är dessa metoder för att identifiera föreningar? Dessa är metoder som är baserade på det direkta beroendet av ett ämnes alla fysikaliska egenskaper på dess strukturella kemiska sammansättning. Eftersom dessa indikatorer är strikt individuella för varje förening, är fysikalisk-kemiska forskningsmetoder extremt effektiva och ger 100% resultat vid bestämning av sammansättningen och andra indikatorer.

Således kan följande egenskaper hos ett ämne tas som grund:

• ljusabsorptionsförmåga;
• värmeledningsförmåga;
• elektrisk konduktivitet;
• koktemperatur;
• smältning och andra parametrar.

Fysikalisk-kemiska forskningsmetoder har en betydande skillnad från rent kemiska metoder för att identifiera ämnen. Som ett resultat av deras arbete sker ingen reaktion, det vill säga omvandlingen av ett ämne, varken reversibelt eller irreversibelt. Som regel förblir föreningarna intakta både i massa och sammansättning.

Funktioner hos dessa forskningsmetoder

Det finns flera huvuddrag som är karakteristiska för sådana metoder för att bestämma ämnen.

1. Forskningsprovet behöver inte rengöras från föroreningar före ingreppet, eftersom utrustningen inte kräver detta.
2. Fysikalisk-kemiska analysmetoder har en hög grad av känslighet, såväl som ökad selektivitet. Därför krävs en mycket liten mängd av testprovet för analys, vilket gör dessa metoder mycket bekväma och effektiva. Även om det är nödvändigt att bestämma ett element som ingår i den totala våta massan i försumbara mängder, är detta inte ett hinder för de angivna metoderna.
3. Analysen tar bara några minuter, så en annan funktion är dess korta varaktighet, eller uttrycksfullhet.
4. De forskningsmetoder som övervägs kräver inte användning av dyra indikatorer.

Uppenbarligen är fördelarna och funktionerna tillräckligt för att göra fysikalisk-kemiska forskningsmetoder universella och efterfrågade i nästan alla studier, oavsett verksamhetsområde.

Klassificering

Flera egenskaper kan identifieras utifrån vilka metoderna i fråga klassificeras. Vi kommer dock att presentera det mest generella systemet som förenar och täcker alla huvudmetoder för forskning som är direkt relaterade till fysikalisk-kemiska.

1. Elektrokemiska forskningsmetoder. Baserat på den uppmätta parametern är de indelade i:

• potentiometri;
• voltammetri;
• polarografi;
• oscillometri;
• konduktometri;
• elektrogravimetri;
• coulometri;
• amperometri;
• dielometri;
• högfrekvent konduktometri.

2. Spektral. Omfatta:

• optisk;
• Röntgenfotoelektronspektroskopi;
• elektromagnetisk och kärnmagnetisk resonans.

3. Termisk. Delat i:

• termisk;
• termogravimetri;
• kalorimetri;
• entalpimetri;
• delatometry.

4. Kromatografiska metoder, som är:

• gas;
• sedimentär;
• gelpenetrerande;
• utbyta;
• flytande.

Det är också möjligt att dela upp fysikalisk-kemiska analysmetoder i två stora grupper. De första är de som resulterar i förstörelse, det vill säga fullständig eller partiell förstörelse av ett ämne eller element. Den andra är oförstörande och bevarar integriteten hos testprovet.

Praktisk tillämpning av sådana metoder

Användningsområdena för de aktuella arbetsmetoderna är ganska olika, men alla avser givetvis vetenskap eller teknik på ett eller annat sätt. I allmänhet kan vi ge flera grundläggande exempel, från vilka det kommer att framgå varför exakt sådana metoder behövs.

1. Kontroll över flödet av komplexa tekniska processer i produktionen. I dessa fall är utrustning nödvändig för beröringsfri styrning och spårning av alla strukturella länkar i arbetskedjan. Samma instrument kommer att registrera problem och fel och tillhandahålla en korrekt kvantitativ och kvalitativ rapport om korrigerande och förebyggande åtgärder.
2. Utföra kemiskt praktiskt arbete i syfte att kvalitativ och kvantitativ bestämning av utbytet av reaktionsprodukten.
3. Undersökning av ett prov av ett ämne för att fastställa dess exakta grundämnessammansättning.
4. Bestämning av mängden och kvaliteten på föroreningar i provets totala massa.
5. Noggrann analys av intermediära, huvudsakliga och sekundära deltagare i reaktionen.
6. En detaljerad rapport om ett ämnes struktur och de egenskaper det uppvisar.
7. Upptäckt av nya element och erhållande av data som kännetecknar deras egenskaper.
8. Praktisk bekräftelse av teoretiska data erhållna empiriskt.
9. Analytiskt arbete med högrena ämnen som används inom olika teknikområden.
10. Titrering av lösningar utan användning av indikatorer, vilket ger ett mer exakt resultat och har helt enkel kontroll, tack vare enhetens funktion. Det vill säga att den mänskliga faktorns inflytande reduceras till noll.
11. Grundläggande fysikalisk-kemiska analysmetoder gör det möjligt att studera sammansättningen av:

• mineraler;
• mineral;
• silikater;
• meteoriter och främmande kroppar;
• metaller och icke-metaller;
• legeringar;
• organiska och oorganiska ämnen;
• enkelkristaller;
• sällsynta och spårämnen.

Användningsområden för metoder

• kärnkraft;
• fysik;
• kemi;
• radioelektronik;
• laserteknik;
• rymdforskning och andra.

Klassificeringen av fysikalisk-kemiska analysmetoder bekräftar bara hur omfattande, korrekta och universella de är för användning i forskning.

Elektrokemiska metoder

Grunden för dessa metoder är reaktioner i vattenlösningar och på elektroder under påverkan av elektrisk ström, det vill säga förenklat elektrolys. Följaktligen är den typ av energi som används i dessa analysmetoder flödet av elektroner.

Dessa metoder har sin egen klassificering av fysikalisk-kemiska analysmetoder. Denna grupp inkluderar följande arter.

1. Elektrisk gravimetrisk analys. Baserat på resultaten av elektrolysen avlägsnas en massa ämnen från elektroderna, som sedan vägs och analyseras. Så här erhålls data om massan av föreningar. En av varianterna av sådant arbete är metoden för intern elektrolys.
2. Polarografi. Den bygger på att mäta strömstyrkan. Det är denna indikator som kommer att vara direkt proportionell mot koncentrationen av de önskade jonerna i lösningen. Amperometrisk titrering av lösningar är en variant av den övervägda polarografiska metoden.
3. Coulometri bygger på Faradays lag. Mängden elektricitet som spenderas på processen mäts, från vilken de sedan fortsätter för att beräkna jonerna i lösningen.
4. Potentiometri - baserad på mätning av elektrodpotentialerna hos deltagarna i processen.

Alla processer som beaktas är fysikaliska och kemiska metoder för kvantitativ analys av ämnen. Med hjälp av elektrokemiska forskningsmetoder separeras blandningar i sina beståndsdelar och mängden koppar, bly, nickel och andra metaller bestäms.

Spektral

Den är baserad på processerna för elektromagnetisk strålning. Det finns också en klassificering av de metoder som används.

1. Flamfotometri. För att göra detta sprutas testämnet in i en öppen låga. Många metallkatjoner ger en viss färg, så deras identifiering är möjlig på detta sätt. Dessa är främst ämnen som: alkali- och jordalkalimetaller, koppar, gallium, tallium, indium, mangan, bly och till och med fosfor.
2. Absorptionsspektroskopi. Inkluderar två typer: spektrofotometri och kolorimetri. Grunden är bestämningen av det spektrum som absorberas av ämnet. Det verkar i både de synliga och heta (infraröda) delarna av strålningen.
3. Turbidimetri.
4. Nefelometri.
5. Luminescensanalys.
6. Refraktometri och polarometri.

Uppenbarligen är alla metoder som beaktas i denna grupp metoder för kvalitativ analys av ett ämne.

Emissionsanalys

Detta orsakar emission eller absorption av elektromagnetiska vågor. Baserat på denna indikator kan man bedöma den kvalitativa sammansättningen av ämnet, det vill säga vilka specifika element som ingår i sammansättningen av forskningsprovet.

Kromatografisk

Fysikalisk-kemiska studier utförs ofta i olika miljöer. I detta fall blir kromatografiska metoder mycket bekväma och effektiva. De är indelade i följande typer.

1. Adsorptionsvätska. Det är baserat på komponenternas olika adsorptionsförmåga.
2. Gaskromatografi. Även baserat på adsorptionskapacitet, endast för gaser och ämnen i ångtillstånd. Det används i massproduktion av föreningar i liknande aggregattillstånd, när produkten kommer ut i en blandning som måste separeras.
3. Fördelningskromatografi.
4. Redox.
5. Jonbytare.
6. Papper.
7. Tunt lager.
8. Sedimentär.
9. Adsorption-komplexbildning.

Termisk

Fysikalisk-kemisk forskning innebär också användning av metoder baserade på värmen från bildning eller nedbrytning av ämnen. Sådana metoder har också sin egen klassificering.

1. Termisk analys.
2. Termogravimetri.
3. Kalorimetri.
4. Entalpometri.
5. Dilatometri.

Alla dessa metoder gör det möjligt att bestämma mängden värme, mekaniska egenskaper och entalpi hos ämnen. Baserat på dessa indikatorer bestäms sammansättningen av föreningarna kvantitativt.

Metoder för analytisk kemi

Denna del av kemi har sina egna egenskaper, eftersom huvuduppgiften för analytiker är den kvalitativa bestämningen av ett ämnes sammansättning, deras identifiering och kvantitativa redovisning. I detta avseende är analytiska analysmetoder indelade i:

• kemisk;
• biologisk;
• fysikalisk-kemiska.

Eftersom vi är intresserade av det senare kommer vi att överväga vilka av dem som används för att bestämma ämnen.

Huvudtyperna av fysikalisk-kemiska metoder inom analytisk kemi

1. Spektroskopisk - alla samma som de som diskuterats ovan.
2. Massspektral - baserat på inverkan av elektriska och magnetiska fält på fria radikaler, partiklar eller joner. Fysikalisk-kemisk analys laboratorieassistenter ger den kombinerade effekten av de angivna kraftfälten, och partiklarna separeras i separata jonflöden baserat på förhållandet mellan laddning och massa.
3. Radioaktiva metoder.
4. Elektrokemisk.
5. Biokemisk.
6. Termisk.

Vad kan vi lära oss om ämnen och molekyler från sådana bearbetningsmetoder? För det första den isotopiska sammansättningen. Och även: reaktionsprodukter, innehållet av vissa partiklar i särskilt rena ämnen, massorna av de sökta föreningarna och annat användbart för vetenskapsmän.

Metoder för analytisk kemi är således viktiga sätt att få information om joner, partiklar, föreningar, ämnen och deras analys.

Analytisk kemi och kemisk analys

Kemisk analys

Kemisk analys kallas att få information om ämnens sammansättning och struktur, oavsett hur exakt sådan information erhålls .

Vissa metoder (metoder) för analys är baserade på att utföra kemiska reaktioner med speciellt tillsatta reagens, i andra spelar kemiska reaktioner en hjälproll, och andra är inte alls relaterade till reaktionernas förlopp. Men resultatet av analysen är i alla fall information om kemisk ett ämnes sammansättning, d.v.s. arten och det kvantitativa innehållet av dess ingående atomer och molekyler. Denna omständighet betonas genom att använda adjektivet "kemisk" i frasen "kemisk analys".

Värdet av analys. Med hjälp av kemiska analytiska metoder upptäcktes kemiska grundämnen, egenskaperna hos grundämnen och deras föreningar studerades i detalj och sammansättningen av många naturliga ämnen bestämdes. Många analyser gjorde det möjligt att fastställa kemins grundläggande lagar (lagen om kompositionens beständighet, lagen om bevarande av ämnens massa, lagen om ekvivalenter, etc.) och bekräftade den atom-molekylära teorin. Analys har blivit ett medel för vetenskaplig forskning inte bara inom kemi, utan också inom geologi, biologi, medicin och andra vetenskaper. En betydande del av den kunskap om naturen som mänskligheten samlat på sig sedan Boyles tid erhölls just genom kemisk analys.

Analytikernas förmåga ökade kraftigt under andra hälften av 1800-talet och särskilt under 1900-talet, då många fysisk analysmetoder. De gjorde det möjligt att lösa problem som inte gick att lösa med klassiska metoder. Ett slående exempel är kunskapen om solens och stjärnornas sammansättning, som erhölls i slutet av 1800-talet med metoden för spektralanalys. Ett lika slående exempel i början av 1900- och 2000-talet var dechiffreringen av strukturen hos en av de mänskliga generna. I detta fall erhölls den initiala informationen genom masspektrometri.

Analytisk kemi som vetenskap

Vetenskapen om "analytisk kemi" bildades i XVIII – XIX århundraden. Det finns många definitioner ("definitioner") av denna vetenskap . Det mest kortfattade och uppenbara är följande: " Analytisk kemi är vetenskapen om att bestämma ämnens kemiska sammansättning ” .

En mer exakt och detaljerad definition kan ges:

Analytisk kemi är en vetenskap som utvecklar en generell metodik, metoder och medel för att studera ämnens kemiska sammansättning (liksom struktur) och utvecklar metoder för att analysera olika föremål.

Forskningens objekt och inriktningar. Forskningsobjektet för praktiserande analytiker är specifika kemiska ämnen

Forskning inom analytisk kemi i Ryssland bedrivs huvudsakligen vid forskningsinstitut och universitet. Målen för dessa studier:

• utveckling av teoretiska grunder för olika analysmetoder;
• skapande av nya metoder och tekniker, utveckling av analytiska instrument och reagens;
• lösa specifika analytiska problem av stor ekonomisk eller social betydelse. Exempel på sådana problem: skapandet av analytiska kontrollmetoder för kärnenergi och för produktion av halvledaranordningar (dessa problem löstes framgångsrikt på 50-70-talet av 1900-talet); utveckling av tillförlitliga metoder för att bedöma miljöföroreningar orsakade av människor (det här problemet håller på att lösas).

1.2.Typer av analys

Analystyperna är mycket olika. De kan klassificeras på olika sätt: av typen av den mottagna informationen, av analysobjekten och bestämningsobjekten, av den erforderliga noggrannheten och varaktigheten av en enda analys, såväl som av andra egenskaper.

Klassificering enligt typen av mottagen information. Skilja på kvalitativ Och kvantitativ analys. I det första fallet ta reda på vad ett givet ämne består av, exakt vad dess komponenter är ( Komponenter) ingår i dess sammansättning. I det andra fallet bestäms det kvantitativa innehållet av komponenterna, uttrycker det i form av massfraktion, koncentration, molförhållande av komponenter, etc.

Klassificering enligt analysobjekt. Varje område av mänsklig aktivitet har traditionella analysobjekt. I industrin studerar man alltså råvaror, färdiga produkter, mellanprodukter och produktionsavfall. Föremål jordbrukskemikalie analyser är jordar, gödningsmedel, foder, spannmål och andra jordbruksprodukter. Inom medicin utför de klinisk analys, dess föremål - blod, urin, magsaft, olika vävnader, utandningsluft och mycket mer. Brottsbekämpande specialister genomför forensisk analys ( analys av tryckfärg för att upptäcka förfalskning av dokument; läkemedelsanalys; analys av fragment som hittats på platsen för en trafikolycka etc.). Med hänsyn till arten av de föremål som studeras, särskiljs även andra typer av analyser, till exempel analys av droger ( farmaceutisk analys), naturligt och avloppsvatten ( hydrokemiska analys), analys av petroleumprodukter, byggmaterial m.m.

Klassificering enligt definitionsobjekt. Liknande termer bör inte förväxlas - analysera Och bestämma. Dessa är inte synonymer! Så om vi är intresserade av om det finns järn i en persons blod och vad dess procent är, så är blod analysobjekt, och järn - definitionsobjekt. Järn kan förstås också bli ett analysobjekt - om vi bestämmer föroreningar av andra grundämnen i ett järnstycke. Objekt av definition namnge de komponenter i materialet som studeras, vars kvantitativa innehåll måste fastställas. Definitionsobjekten är inte mindre olika än analysobjekten. Med hänsyn till beskaffenheten av den komponent som bestäms, särskiljs olika typer av analyser (tabell 1). Som framgår av den här tabellen, själva detekterings- eller definitionsobjekten (de kallas också analyter) tillhör olika nivåer av materiastrukturering (isotoper, atomer, joner, molekyler, grupper av molekyler med besläktad struktur, faser).

Bord 1.

Klassificering av typer av analys enligt objekt för bestämning eller upptäckt

Typ av analys	Objekt för bestämning eller upptäckt (analyt)	Exempel	Applikationsområde
Isotopisk	Atomer med givna värden för kärnladdning och massantal (isotoper)	137 Cs, 90 Sr, 235 U	Kärnenergi, miljöföroreningskontroll, medicin, arkeologi m.m.
Elementär	Atomer med givna kärnladdningsvärden (grundämnen)	Cs, Sr, U Cr,Fe,Hg	Överallt
Verklig	Atomer (joner) av ett grundämne i ett givet oxidationstillstånd eller i föreningar med en given sammansättning (form av grundämnet)	Сr(III), Fe2+, Hg som en del av komplexa föreningar	Kemisk teknik, miljöföroreningskontroll, geologi, metallurgi m.m.
Molekyl	Molekyler med en given sammansättning och struktur	Bensen, glukos, etanol	Medicin, miljökontroll, agrokemi, kemi. teknik, kriminalteknik.
Strukturell grupp eller funktionell	En summa av molekyler med givna strukturella egenskaper och liknande egenskaper	Mättade kolväten, monosackarider, alkoholer	Kemisk teknik, livsmedelsindustri, medicin.
Fas	En separat fas eller element inom en given fas	Grafit i stål, kvarts i granit	Metallurgi, geologi, teknik för byggmaterial.

Under elementaranalys identifiera eller kvantifiera detta eller det elementet, oavsett dess oxidationstillstånd eller dess inkludering i sammansättningen av vissa molekyler. Den fullständiga elementära sammansättningen av materialet som studeras bestäms i sällsynta fall. Vanligtvis räcker det att bestämma några element som avsevärt påverkar egenskaperna hos det föremål som studeras.

Verklig analys började urskiljas som en oberoende typ nyligen, tidigare ansågs den som en del av elementären. Syftet med materialanalys är att separat bestämma innehållet i olika formformer av samma element. Till exempel innehållet av krom (III) och krom (VI) i avloppsvatten. I petroleumprodukter definieras "sulfatsvavel", "fritt svavel" och "sulfidsvavel" separat. Genom att studera sammansättningen av naturliga vatten tar de reda på vilken del av kvicksilver som finns i form av starka komplexa och organoelementföreningar, och vilken del - i form av fria joner. Dessa problem är mycket svårare än elementaranalysproblem.

Molekylär analysär särskilt viktigt när man studerar organiska ämnen och material av biogent ursprung.Till exempel kan nämnas bestämning av bensen i bensin eller aceton i utandningsluft. I sådana fall är det nödvändigt att ta hänsyn till inte bara sammansättningen utan också strukturen hos molekylerna. När allt kommer omkring kan materialet som studeras innehålla isomerer och homologer av den komponent som bestäms. Sålunda måste glukoshalten vanligtvis bestämmas i närvaro av dess isomerer och andra besläktade föreningar, såsom sackaros.

Klassificering efter noggrannhet, varaktighet och kostnad för analyser. Ett förenklat, snabbt och billigt analysalternativ kallas uttrycklig analys. Det används ofta här testmetoder . Till exempel kan vilken person som helst (inte en analytiker) utvärdera nitrathalten i grönsaker (socker i urin, tungmetaller i dricksvatten, etc.) med hjälp av ett speciellt testverktyg - indikatorpapper. Innehållet i den nödvändiga komponenten bestäms med hjälp av färgskalan som medföljer papperet. Resultatet kommer att vara synligt för blotta ögat och förståeligt för en icke-specialist. Testmetoder kräver inte leverans av provet till laboratoriet eller någon bearbetning av testmaterialet; Dessa metoder använder inte dyr utrustning och utför inga beräkningar. Det är bara viktigt att resultatet av testmetoden inte beror på närvaron av andra komponenter i materialet som testas, och för detta är det nödvändigt att de reagenser som papperet impregneras med under tillverkningen är specifika. Det är mycket svårt att säkerställa testmetodernas specificitet, och denna typ av analys blev utbredd först under de sista åren av 1900-talet. Naturligtvis kan testmetoder inte ge hög analysnoggrannhet, men det krävs inte alltid.

Precis motsatsen till uttrycklig analys - skiljedom analys h. Huvudkravet för det är att säkerställa största möjliga noggrannhet av resultaten. Skiljedomsanalyser utförs sällan (till exempel för att lösa en konflikt mellan tillverkare och konsument av vissa produkter). För att utföra sådana analyser involveras de mest kvalificerade utförarna, de mest tillförlitliga och upprepade gånger beprövade metoderna används. Utförandetiden och kostnaden för en sådan analys är inte av grundläggande betydelse.

En mellanplats mellan uttrycklig och skiljedomsanalys vad gäller noggrannhet, varaktighet, kostnad och andra indikatorer upptas av rutinmässiga tester. Huvuddelen av de analyser som utförs i fabriken och andra kontroll- och analyslaboratorier är av denna typ.

1.3.Analysmetoder

Klassificering av metoder. Begreppet "analysmetod" används när de vill identifiera essensen av en viss analys, dess grundläggande princip. En analysmetod är en ganska universell och teoretiskt baserad metod för att genomföra analys, fundamentalt skild från andra metoder till dess syfte och grundprincip, oavsett vilken komponent som bestäms och exakt vad som analyseras. Samma metod kan användas för att analysera olika objekt och att bestämma olika analyter .

Det finns tre huvudgrupper av metoder (Fig. 1). Vissa av dem syftar främst till att separera komponenterna i blandningen som studeras (efterföljande analys utan denna operation visar sig vara felaktig eller till och med omöjlig). Vid separation sker vanligtvis koncentration av de komponenter som bestäms (se kapitel 8). Ett exempel skulle vara extraktionsmetoder eller jonbytesmetoder. Andra metoder används vid kvalitativ analys, de tjänar till tillförlitlig identifiering (identifiering) av de komponenter som är intressanta för oss. De tredje, mest talrika, är avsedda för kvantitativ bestämning av komponenter. Motsvarande grupper kallas separerings- och koncentreringsmetoder, identifieringsmetoder och bestämningsmetoder. Metoderna för de två första grupperna, som regel, , spela en stödjande roll. Av största vikt för praktiken är bestämningsmetoder.

Fysikalisk-kemiska

Figur 1. Klassificering av analysmetoder

Utöver de tre huvudgrupperna finns det hybrid metoder. I fig. 1. de visas inte. I hybridmetoder kombineras separation, identifiering och bestämning av komponenter organiskt i en enhet (eller i ett enda instrumentkomplex). Den viktigaste av dessa metoder är kromatografiska analys. I en speciell anordning (kromatograf) separeras komponenterna i testprovet (blandningen) när de rör sig med olika hastigheter genom en kolonn fylld med fast pulver (sorbent). När en komponent lämnar kolumnen bedöms dess natur och därmed identifieras alla komponenter i provet. Komponenterna som lämnar kolumnen en efter en kommer in i en annan del av enheten, där en speciell enhet - en detektor - mäter och registrerar signalerna från alla komponenter. Ofta tilldelas signaler automatiskt till vissa ämnen, liksom innehållet i varje komponent i provet beräknas. Det är tydligt att kromatografiska analys kan inte betraktas som enbart en metod för att separera komponenter, eller bara en metod för kvantitativ bestämning, det är just en hybridmetod.

1.4. Analysmetoder och krav på dem

Begreppen ska inte förväxlas metod Och tekniker.

En metodik är en tydlig och detaljerad beskrivning av hur en analys ska utföras, med användning av någon metod för att lösa ett specifikt analytiskt problem.

Typiskt är att en metod utvecklas av specialister, genomgår preliminära tester och metrologisk certifiering, är officiellt registrerad och godkänd.Namnet på metoden anger metoden som används, objektet för bestämning och analysobjektet.

Att plocka upp optimal(bästa) tekniken, i varje fall måste ett antal praktiska krav beaktas.

1. T noggrannhet. Detta är huvudkravet. Det innebär att det relativa eller absoluta felet i analysen inte bör överstiga ett visst gränsvärde

2. Känslighet. Detta ord i vardagligt tal ersätts med strängare termer "detektionsgräns" och "nedre gräns för detekterbara koncentrationer"" Mycket känsliga metoder är de med vilka vi kan upptäcka och identifiera en komponent även när dess innehåll i materialet som studeras är lågt. Ju lägre förväntat innehåll, desto känsligare krävs tekniken. .

3. Selektivitet (selektivitet). Det är viktigt att analysresultatet inte påverkas av främmande ämnen som ingår i provet.

4. Uttrycksförmåga . Vi talar om varaktigheten av analysen av ett prov - från provtagning till att utfärda en slutsats. Ju snabbare resultaten erhålls, desto bättre.

5.C kosta. Denna egenskap hos tekniken kräver ingen kommentar. Endast relativt billiga analyser kan användas i massskala. Kostnaden för analytisk kontroll inom industrin överstiger vanligtvis inte 1 % av produktkostnaden. Analyser som är unika i sin komplexitet och som sällan utförs är mycket dyra.

Det finns andra krav på metodiken - analyssäkerhet, förmåga att utföra analys utan direkt mänskligt deltagande, stabilitet hos resultaten till slumpmässiga fluktuationer i förhållanden, etc.

1.5. Huvudstadier (stadier) av kvantitativ analys

Den kvantitativa analystekniken kan mentalt delas upp i flera på varandra följande stadier (stadier), och nästan vilken teknik som helst har samma stadier. Motsvarande logiska diagram för analysen visas i Fig. 1.2. Huvudstegen för att utföra kvantitativ analys är: formulering av det analytiska problemet och val av metodik, urval, provberedning, signalmätning, beräkning och presentation av resultat.

Redogörelse av det analytiska problemet och val av metodik. En specialistanalytikers arbete börjar vanligtvis med att erhålla beställa för analys. Utseendet på en sådan order är vanligtvis resultatet av andra specialisters yrkesverksamhet, uppkomsten av några Problem. Ett sådant problem kan till exempel vara att ställa en diagnos, ta reda på orsaken till en defekt under tillverkningen av vissa produkter, fastställa äktheten av en museiutställning, möjligheten av förekomsten av något giftigt ämne i kranvatten, etc. Baserat på information från en specialist (organisk kemist, industriingenjör, geolog, tandläkare, åklagarmyndighetens utredare, agronom, arkeolog etc.) ska analytikern formulera analytiskt problem. Naturligtvis måste vi ta hänsyn till "kundens" möjligheter och önskemål. Dessutom är det nödvändigt att samla in ytterligare information (främst om den kvalitativa sammansättningen av materialet som måste analyseras).

Att sätta upp ett analytiskt problem kräver en mycket högt kvalificerad analytiker och är den svåraste delen av den kommande forskningen. Det räcker inte att bestämma vilket material som måste analyseras och exakt vad som behöver bestämmas i det. Det är nödvändigt att förstå vid vilken koncentrationsnivå analysen måste utföras, vilka främmande komponenter som kommer att finnas i proverna, hur ofta analyserna kommer att behöva utföras, hur mycket tid och pengar som kan läggas på en analys , om det kommer att vara möjligt att leverera proverna till laboratoriet eller kommer det att vara nödvändigt att utföra analysen direkt "på platsen", om det kommer att finnas restriktioner för vikt och reproducerbarhet egenskaper hos det material som studeras osv. Viktigast av allt måste du förstå: vilken noggrannhet av analysresultaten måste säkerställas och hur sådan noggrannhet kommer att uppnås!

Ett tydligt formulerat analytiskt problem ligger till grund för valet av den optimala metodiken. Sökningen görs med hjälp av samlingar av normativa dokument (inklusive standardmetoder), referensböcker och recensioner av enskilda objekt eller metoder. Om de till exempel ska bestämma innehållet av petroleumprodukter i avloppsvatten med hjälp av en fotometrisk metod, så tittar de igenom monografier som för det första ägnas åt fotometrisk analys, för det andra metoder för att analysera avloppsvatten och för det tredje olika metoder för att bestämma petroleumprodukter . Det finns serier av böcker, som var och en ägnas åt den analytiska kemin hos ett element. Handböcker har getts ut om enskilda metoder och om enskilda analysobjekt. Om det inte var möjligt att hitta lämpliga metoder i uppslagsböcker och monografier, fortsätter sökningen med hjälp av abstrakta och vetenskapliga tidskrifter, sökmotorer på internet, konsultationer med specialister etc. Efter att ha valt lämpliga metoder väljs den som bäst uppfyller analysuppgiften .

Ofta, för att lösa ett specifikt problem, finns det inte bara inga standardmetoder, utan det finns inga tidigare beskrivna tekniska lösningar alls (särskilt komplexa analytiska problem, unika objekt). Denna situation uppstår ofta när man bedriver vetenskaplig forskning.I dessa fall måste man själv utveckla en analysteknik. Men när du utför analyser med dina egna metoder, bör du särskilt noggrant kontrollera riktigheten av de erhållna resultaten.

Provtagning. Utveckla en analysmetod som tillåter mäta koncentrationen av den komponent som är intressant för oss direkt i det föremål som studeras är det ganska sällsynt. Ett exempel skulle vara en koldioxidhaltssensor i luften, som installeras i ubåtar och andra slutna utrymmen.Mycket oftare tas en liten del från materialet som studeras - prov- och leverera den till analyslaboratoriet för vidare forskning. Provet måste vara representativ(representativt), det vill säga dess egenskaper och sammansättning bör ungefär överensstämma med egenskaperna och sammansättningen av det material som studeras som helhet. För gasformiga och flytande analysobjekt är det ganska enkelt att ta ett representativt prov, eftersom de är homogena . Du behöver bara välja rätt tid och plats för valet. När man till exempel tar vattenprover från en reservoar tar man hänsyn till att vattnet i ytskiktet skiljer sig i sammansättning från vattnet från bottenskiktet, vattnet nära stränderna är mer förorenat, flodvattnets sammansättning är inte samma vid olika tider på året osv. I stora städer tas atmosfäriska luftprover med hänsyn till vindens riktning och platsen för källor för utsläpp av föroreningar. Provtagningen orsakar inga problem även när rena kemikalier undersöks, inte ens fasta ämnen eller homogena fina pulver.

Det är mycket svårare att korrekt välja ett representativt prov av ett heterogent fast ämne (jord, malm, kol, spannmål, etc.). Om du tar jordprover på olika ställen på samma fält, eller från olika djup, eller vid olika tidpunkter, kommer resultaten av analysen av samma typ av prover att visa sig vara olika. De kan skilja sig åt flera gånger, särskilt om själva materialet var heterogent och bestod av partiklar av olika sammansättning och storlek.

Saken kompliceras av det faktum att provtagningen ofta inte görs av analytikern själv, utan av otillräckligt kvalificerade arbetare eller, vad värre är, av personer som är intresserade av att få ett visst analysresultat. Sålunda, i berättelserna om M. Twain och Bret Harte, beskrivs det färgstarkt hur säljaren, innan han sålde en guldbärande plats, försökte välja ut stenbitar med uppenbara inneslutningar av guld för analys, och köparen - tom sten. Inte överraskande gav resultaten av motsvarande analyser motsatsen, men i båda fallen felaktig karakterisering av det undersökta området.

För att säkerställa korrektheten av analysresultaten har särskilda regler och provtagningsscheman utvecklats och antagits för varje grupp av objekt. Ett exempel skulle vara markanalys. I det här fallet bör du välja några stora delar av provmaterialet på olika platser i studieområdet och sedan kombinera dem. Det beräknas i förväg hur många provtagningspunkter det ska finnas, och på vilket avstånd från varandra dessa punkter ska placeras. Det anges från vilket djup varje del av jorden ska tas, vilken massa den ska vara etc. Det finns till och med en speciell matematisk teori som låter dig beräkna minimimassan för det kombinerade provet, med hänsyn till partiklarnas storlek , heterogeniteten i deras sammansättning, etc. Ju större massa provet är, desto mer representativt är det; därför, för inhomogent material, kan den totala massan av det kombinerade provet nå tiotals och till och med hundratals kilo. Det kombinerade provet torkas, krossas, blandas noggrant och mängden av materialet som testas reduceras gradvis (det finns speciella tekniker och anordningar för detta ändamål) Men även efter upprepad reduktion kan provvikten nå flera hundra gram. Det reducerade provet levereras till laboratoriet i en hermetiskt tillsluten behållare. Där fortsätter de att mala och blanda testmaterialet (för att få ett medelvärde av sammansättningen) och först därefter ta en vägd del av medelprovet på en analytisk våg för vidare analys. provberedning och efterföljande signalmätning.

Provtagning är det viktigaste steget i analysen, eftersom fel som uppstår i detta skede är mycket svåra att korrigera eller redogöra för. Urvalsfel är ofta den främsta orsaken till den övergripande analytiska osäkerheten. Om provtagningen är felaktig, kommer inte ens det ideala utförandet av efterföljande operationer att hjälpa - det kommer inte längre att vara möjligt att få det korrekta resultatet.

Provberedning . Detta är samlingsnamnet för alla operationer som ett prov som levereras där utsätts för i laboratoriet innan analyssignalen mäts. Under provberedning utföra en mängd olika operationer: indunstning, torkning, kalcinering eller förbränning av provet, dess upplösning i vatten, syror eller organiska lösningsmedel, preliminär oxidation eller reduktion av komponenten bestäms med speciellt tillsatta reagens, avlägsnande eller maskering av störande föroreningar. Det är ofta nödvändigt att koncentrera den komponent som bestäms - från ett prov med stor volym överförs komponenten kvantitativt till en liten volym lösning (koncentrat), där den analytiska signalen sedan mäts. Provkomponenter med liknande egenskaper under provberedning de försöker skilja dem från varandra för att göra det lättare att bestämma koncentrationen av var och en individuellt. Provberedning kräver mer tid och arbete än andra analysoperationer; det är ganska svårt att automatisera. Man bör komma ihåg att varje operation provberedning- Detta är en ytterligare källa till analysfel. Ju färre sådana operationer det finns, desto bättre. De idealiska metoderna är de som inte inkluderar scenen provberedning("kom, mätte, beräknade"), men det finns relativt få sådana metoder.

Analytisk signalmätning kräver användning av lämpliga mätinstrument, i första hand precisionsinstrument (vågar, potentiometrar, spektrometrar, kromatografer etc.), samt förkalibrerade mätredskap. Mätinstrument måste vara certifierade ("verifierade"), det vill säga det måste vara känt i förväg vilket maximalt fel som kan erhållas genom att mäta en signal med denna apparat. Förutom instrument kräver signalmätningar i många fall standarder med känd kemisk sammansättning (jämförelseprover, till exempel ange standardprover). De används för att kalibrera metodiken (se kapitel 5), kontrollera och justera instrumenten. Resultatet av analysen beräknas också med hjälp av standarder.

Beräkning och presentation av resultat - det snabbaste och enklaste analyssteget. Du behöver bara välja lämplig beräkningsmetod (med en eller annan formel, enligt ett schema, etc.). För att bestämma uran i uranmalm jämförs alltså provets radioaktivitet med radioaktiviteten i ett standardprov (malm med känt uraninnehåll), och sedan hittas uranhalten i provet genom att lösa den vanliga proportionen. Denna enkla metod är dock inte alltid lämplig, och användningen av en olämplig beräkningsalgoritm kan leda till allvarliga fel. Vissa beräkningsmetoder är mycket komplexa och kräver användning av en dator. I efterföljande kapitel kommer beräkningsmetoderna som används i olika analysmetoder, deras fördelar och tillämplighetsvillkoren för varje metod att beskrivas i detalj. Resultaten av analysen ska vara statistiskt bearbetade. Alla data relaterade till analysen av ett givet prov återspeglas i laboratoriejournalen och analysresultatet läggs in i ett speciellt protokoll. Ibland jämför analytikern själv resultaten av analys av flera ämnen med varandra eller med vissa standarder och drar meningsfulla slutsatser. Till exempel om överensstämmelse eller bristande överensstämmelse med kvaliteten på materialet som studeras med de fastställda kraven ( analytisk kontroll).

Den stora majoriteten av information om ämnen, deras egenskaper och kemiska omvandlingar erhölls genom kemiska eller fysikalisk-kemiska experiment. Därför bör den huvudsakliga metoden som används av kemister betraktas som ett kemiskt experiment.

Traditionerna för experimentell kemi har utvecklats under århundraden. Även när kemi inte var en exakt vetenskap, under antiken och på medeltiden, upptäckte vetenskapsmän och hantverkare, ibland av en slump, och ibland målmedvetet, metoder för att erhålla och rena många ämnen som användes i ekonomisk verksamhet: metaller, syror, alkalier , färgämnen och etc. Alkemister bidrog i hög grad till ackumuleringen av sådan information (se Alkemi).

Tack vare detta, i början av 1800-talet. kemister var väl bevandrade i grunderna i experimentell konst, särskilt metoder för att rena alla typer av vätskor och fasta ämnen, vilket gjorde det möjligt för dem att göra många viktiga upptäckter. Och ändå började kemi att bli en vetenskap i ordets moderna mening, en exakt vetenskap, först på 1800-talet, när lagen om multipla förhållanden upptäcktes och atom-molekylär vetenskap utvecklades. Sedan den tiden började kemiska experiment att inkludera inte bara studier av omvandlingar av ämnen och metoder för deras isolering, utan också mätning av olika kvantitativa egenskaper.

Ett modernt kemiskt experiment innebär många olika mätningar. Både utrustningen för att genomföra experiment och kemiska glasvaror har förändrats. I ett modernt laboratorium hittar du inte hemgjorda retorter - de har ersatts av standardglasutrustning som tillverkats av industrin och anpassad specifikt för att utföra en viss kemisk procedur. Arbetsmetoder har också blivit standard, som i vår tid inte längre behöver uppfinnas på nytt av varje kemist. En beskrivning av de bästa av dem, bevisad av många års erfarenhet, finns i läroböcker och manualer.

Metoder för att studera materia har inte bara blivit mer universella, utan också mycket mer mångsidiga. En allt viktigare roll i en kemists arbete spelas av fysikalisk och fysikalisk-kemiska forskningsmetoder utformade för att isolera och rena föreningar, samt att fastställa deras sammansättning och struktur.

Den klassiska tekniken att rena ämnen var extremt arbetsintensiv. Det finns fall där kemister tillbringade år av arbete med att isolera en enskild förening från en blandning. Således kunde salter av sällsynta jordartsmetaller isoleras i ren form först efter tusentals fraktionerade kristallisationer. Men även efter detta kunde renheten hos ämnet inte alltid garanteras.

Moderna kromatografimetoder gör det möjligt att snabbt separera ett ämne från föroreningar (preparativ kromatografi) och kontrollera dess kemiska identitet (analytisk kromatografi). Dessutom används klassiska men mycket förbättrade metoder för destillation, extraktion och kristallisation, såväl som sådana effektiva moderna metoder som elektrofores, zonsmältning, etc. för att rena ämnen.

Uppgiften som ställs inför en syntetisk kemist efter att ha isolerat ett rent ämne - att fastställa dess molekylers sammansättning och struktur - relaterar till stor del till analytisk kemi. Med den traditionella arbetstekniken var det också mycket arbetskrävande. Nästan den enda mätmetoden som tidigare använts var elementaranalys, vilket gör att man kan fastställa den enklaste formeln för en förening.

För att bestämma den verkliga molekylära såväl som strukturformeln var det ofta nödvändigt att studera ett ämnes reaktioner med olika reagenser; isolera produkterna från dessa reaktioner i individuell form, vilket i sin tur etablerar deras struktur. Och så vidare - tills, baserat på dessa omvandlingar, strukturen hos den okända substansen blev uppenbar. Därför tog det ofta mycket tid att fastställa strukturformeln för en komplex organisk förening, och ett sådant arbete ansågs vara komplett om det slutade med en motsyntes - produktionen av ett nytt ämne i enlighet med formeln som fastställts för det.

Denna klassiska metod var extremt användbar för utvecklingen av kemi i allmänhet. Numera används den sällan. Som regel studeras ett isolerat okänt ämne, efter elementaranalys, med hjälp av masspektrometri, spektralanalys i det synliga, ultravioletta och infraröda området, såväl som kärnmagnetisk resonans. För en rimlig härledning av en strukturformel krävs användning av ett helt komplex av metoder, och deras data kompletterar vanligtvis varandra. Men i ett antal fall ger konventionella metoder inte ett entydigt resultat, och man måste tillgripa direkta metoder för att bestämma strukturen, till exempel röntgendiffraktionsanalys.

Fysikalisk-kemiska metoder används inte bara inom syntetisk kemi. De är inte mindre viktiga när man studerar kinetiken för kemiska reaktioner, såväl som deras mekanismer. Huvuduppgiften för varje experiment för att studera hastigheten för en reaktion är att noggrant mäta den tidsvarierande, och vanligtvis mycket lilla, koncentrationen av reaktanten. För att lösa detta problem, beroende på ämnets natur, kan du använda kromatografiska metoder, olika typer av spektralanalys och elektrokemiska metoder (se Analytisk kemi).

Teknikens perfektion har nått en så hög nivå att det har blivit möjligt att exakt bestämma hastigheten för till och med "momentana", som tidigare trott, reaktioner, till exempel bildandet av vattenmolekyler från vätekatjoner och anjoner. Med en initial koncentration av båda jonerna lika med 1 mol/l är tiden för denna reaktion flera hundra miljarddelar av en sekund.

Fysikalisk-kemiska forskningsmetoder är speciellt anpassade för detektering av kortlivade mellanliggande partiklar som bildas vid kemiska reaktioner. För att göra detta är enheterna utrustade med antingen höghastighetsinspelningsenheter eller tillbehör som säkerställer drift vid mycket låga temperaturer. Dessa metoder registrerar framgångsrikt spektra av partiklar vars livslängd under normala förhållanden mäts i tusendelar av en sekund, till exempel fria radikaler.

Förutom experimentella metoder används beräkningar i stor utsträckning inom modern kemi. Således gör den termodynamiska beräkningen av en reagerande blandning av ämnen det möjligt att exakt förutsäga dess jämviktssammansättning (se Kemisk jämvikt).

Beräkningar av molekyler baserade på kvantmekanik och kvantkemi har blivit allmänt accepterade och i många fall oumbärliga. Dessa metoder är baserade på en mycket komplex matematisk apparat och kräver användning av de mest avancerade elektroniska datorerna - datorer. De gör det möjligt att skapa modeller av den elektroniska strukturen hos molekyler som förklarar de observerbara, mätbara egenskaperna hos instabila molekyler eller mellanliggande partiklar som bildas under reaktioner.

Metoder för att studera ämnen som utvecklats av kemister och fysikaliska kemister är användbara inte bara inom kemi, utan också inom relaterade vetenskaper: fysik, biologi, geologi. Varken industri, jordbruk, medicin eller kriminalteknik kan klara sig utan dem. Fysikalisk-kemiska instrument intar en hedersplats på rymdfarkoster, med hjälp av vilka man utforskar rymden nära jorden och närliggande planeter.

Därför är kunskap om grunderna i kemi nödvändig för varje person, oavsett hans yrke, och vidareutvecklingen av dess metoder är en av de viktigaste riktningarna för den vetenskapliga och tekniska revolutionen.