Значення методів хімічного аналізу. Кількісний аналіз

План лекції:

1. Загальна характеристика фізико-хімічних методів

2. Загальні відомості про спектроскопічні методи аналізу.

3. Фотометричний метод аналізу: фотоколориметрія, колориметрія, спектрофотометрія.

4. Загальні відомості про нефелометричний, люмінесцентний, поляриметричний методи аналізу.

5. Рефрактометричний метод аналізу.

6. Загальні відомості про мас-спектральний, радіометричний аналіз.

7. Електрохімічні методи аналізу (потенціометрія, кондуктометрія, кулонометрія, амперометрія, полярографія).

8. Хроматографічний метод аналізу.

Сутність фізико-хімічних методів аналізу. Їхня класифікація.

Фізико-хімічні методи аналізу, як і хімічні методи, ґрунтуються на проведенні тієї чи іншої хімічної реакції. У фізичних методах хімічні реакції відсутні або мають другорядне значення, хоча в спектральному аналізі інтенсивність ліній завжди істотно залежить від хімічних реакцій у вугільному електроді або газовому полум'ї. Тому іноді фізичні методи включають у групу фізико-хімічних методів, оскільки досить строгого однозначного різницю між фізичними і фізико-хімічними методами немає, і виділення фізичних методів окрему групу має принципового значення.

Хімічні методи аналізу були не в змозі задовольнити різноманітні запити практики, що зросли в результаті науково-технічного прогресу, розвитку напівпровідникової промисловості, електроніки та ЕОМ, широкого застосування чистих та надчистих речовин у техніці.

Застосування фізико-хімічних методів аналізу знайшло своє відображення у технохімічному контролі харчових виробництв, у науково-дослідних та виробничих лабораторіях. Ці методи характеризуються високою чутливістю та швидким виконанням аналізу. Вони ґрунтуються на використанні фізико-хімічних властивостей речовин.

За виконання аналізів фізико-хімічними методами точку еквівалентності (кінець реакції) визначають не візуально, а з допомогою приладів, які фіксують зміна фізичних властивостей досліджуваного речовини у точці еквівалентності. Для цієї мети зазвичай застосовують прилади із відносно складними оптичними або електричними схемами, тому ці методи отримали назву методів інструментального аналізу

У багатьох випадках виконання аналізу цими методами не потрібна хімічна реакція на відміну хімічних методів аналізу. Потрібно лише виміряти показники будь-яких фізичних властивостей аналізованої речовини: електропровідність, світлопоглинання, світлозаломлення та ін. Фізико-хімічні методи дозволяють вести у промисловості безперервний контроль сировини, напівфабрикатів та готових виробів.

Фізико-хімічні методи аналізу стали застосовувати пізніше, ніж хімічні методи аналізу, коли було встановлено та вивчено зв'язок між фізичними властивостями речовин та їх складом.

Точність фізико-хімічних методів сильно коливається залежно від методу. Найбільш високою точністю (до 0,001%) має кулонометрія,заснована на вимірюванні кількості електрики, що витрачається на електрохімічне окиснення або відновлення іонів або елементів, що визначаються. Більшість фізико-хімічних методів мають похибку не більше 2-5 %, що перевищує похибку хімічних методів аналізу. Однак таке порівняння похибок не цілком коректне, оскільки воно відноситься до різних концентраційних областей. При невеликому змісті визначається компонента (близько 10 -3% і менше) класичні хімічні методи аналізу взагалі непридатні; при великих концентраціях фізико-хімічні методи успішно змагаються з хімічними. До суттєвих недоліків більшості фізико-хімічних методів належить обов'язкова наявність еталонів і стандартних розчинів.

Серед фізико-хімічних методів найбільше практичного застосування мають:

1. спектральні та інші оптичні методи (рефрактометрія, поляриметрія);

2. електрохімічні методи аналізу;

3. Хроматографічні методи аналізу.

Крім цього виділяють ще 2 групи фізико-хімічних методів:

1. радіометричні методи, що базуються на вимірі радіоактивного випромінювання даного елемента;

2. мас-спектрометричні методи аналізу, засновані на визначенні мас окремих іонізованих атомів, молекул та радикалів.

Найбільш великою за кількістю методів та важливою за практичним значенням є група спектральних та інших оптичних методів. Ці методи ґрунтуються на взаємодії речовин з електромагнітним випромінюванням. Відомо багато різних видів електромагнітних випромінювань: рентгенівське випромінювання, ультрафіолетове, видиме, інфрачервоне, мікрохвильове та радіочастотне. Залежно від типу взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною оптичні методи класифікуються в такий спосіб.

На вимірі ефектів поляризації молекул речовини засновані рефрактометрія, поляриметрія.

Аналізовані речовини можуть поглинати електромагнітне випромінювання та на основі використання цього явища виділяють групу абсорбційних оптичних методів

Поглинання світла атомами аналізованих речовин використовується в атомно-абсорбційний аналіз. Здатність поглинати світло молекулами та іонами в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній областях спектру дозволила створити молекулярно-абсорбційний аналіз (колориметрію, фотоколориметрію, спектрофотометрію)

Поглинання та розсіювання світла завислими частинками в розчині (суспензії) призвело до появи методів турбідиметрії та нефелометрії.

Методи, засновані на вимірюванні інтенсивності випромінювання, що виникає в результаті виділення енергії збудженими молекулами та атомами аналізованої речовини, називаються емісійними методами. До молекулярно-емісійним методамвідносять люмінесценцію (флуоресценцію), до атомно-емісійним- емісійний спектральний аналіз та полум'яну фотометрію.

Електрохімічні методианалізу засновані на вимірі електричної провідності ( кондуктометрія); різниці потенціалів ( потенціометрія); кількості електрики, що пройшла через розчин ( кулонометрія); залежності величини струму від прикладеного потенціалу ( вольт-амперометрія).

До групи хроматографічних методів аналізувходять методи газової та газорідинної хроматографії, розподільної, тонкошарової, адсорбційної, іонообмінної та інших видів хроматографії.

Спектроскопічні методи аналізу: загальні відомості

Поняття про спектроскопічний метод аналізу, його різновиди

Спектроскопічні методи аналізу- фізичні методи, що ґрунтуються на взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною. Взаємодія призводить до різних енергетичних переходів, які реєструють інструментально у вигляді поглинання випромінювання, відбиття та розсіювання електромагнітного випромінювання.

Класифікація:

Емісійний спектральний аналіз заснований на вивченні спектрів випромінювання або емісійних спектрів різних речовин. Різновидом цього аналізу є фотометрія полум'я, заснована на вимірюванні інтенсивності випромінювання атомів, що збуджується нагріванням речовини полум'я.

Абсорбційний спектральний аналіз ґрунтується на вивченні спектрів поглинання аналізованих речовин. Якщо відбувається поглинання випромінювання атомами, абсорбція називається атомної, а якщо молекулами, то - молекулярної. Розрізняють декілька видів абсорбційного спектрального аналізу:

1. Спектрофотометрия - враховує поглинання аналізованим речовиною світла з певною довжиною хвилі, тобто. поглинання монохроматичного випромінювання.

2. Фотометрія – заснована на вимірі поглинання аналізованою речовиною світла не строго монохроматичного випромінювання.

3. Колориметрія заснована на вимірі поглинання світла забарвленими розчинами у видимій частині спектра.

4. Нефелометрія полягає в вимірі інтенсивності світла, розсіяного твердими частинками, зваженими у розчині, тобто. світла, розсіяного суспензією.

Люмінесцентна спектроскопія використовує світіння об'єкта, що досліджується, що виникає під дією ультрафіолетових променів.

Залежно від того, в якій частині спектра відбувається поглинання або випромінювання, розрізняють спектроскопію в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній областях спектра.

Спектроскопія – чутливий метод визначення понад 60 елементів. Його застосовують для аналізу численних матеріалів, включаючи біологічні середовища, речовини рослинного походження, цементи, скла та природні води.

Фотометричні методи аналізу

Фотометричні методи аналізу засновані на вибірковому поглинанні світла аналізованою речовиною або її сполукою з відповідним реагентом. Інтенсивність поглинання можна вимірювати будь-яким способом, незалежно від характеру пофарбованої сполуки. Точність методу залежить від способу виміру. Розрізняють колориметричний, фотоколориметричний та спектрофотометричний методи.

Фотоколориметричний метод аналізу.

Фотоколориметричний метод аналізу дозволяє кількісно визначити інтенсивність поглинання світла аналізованим розчином за допомогою фотоелектроколориметрів (іноді їх називають просто фотоколориметрами). Для цього готують серію стандартних розчинів і викреслюють залежність світлопоглинання речовини, що визначається, від його концентрації. Ця залежність називається градуювальним графіком. У фотоколориметрах світлові потоки, що проходять через розчин, мають широку область поглинання – 30-50 нм, тому світло тут є поліхроматичним. Це призводить до втрати відтворюваності, точності та вибірковості аналізу. Переваги фотоколориметра полягає у простоті конструкції та високій чутливості завдяки великій світлосилі джерела випромінювання – лампи розжарювання.

Колориметричний метод аналізу.

Колориметричний метод аналізу заснований на вимірі поглинання світла речовиною. У цьому порівнюють інтенсивність фарбування, тобто. оптичну щільність досліджуваного розчину з забарвленням (оптичною щільністю) стандартного розчину, концентрація якого відома. Метод дуже чутливий і застосовується визначення мікро- і полумикроколичеств.

Для проведення аналізу колориметричним методом потрібно значно менше часу, ніж хімічним шляхом.

При візуальному аналізі домагаються рівності інтенсивності фарбування аналізованого та розчину, що фарбується. Цього можна досягти 2 шляхами:

1. зрівнюють фарбування, змінюючи товщину шару;

2. підбирають стандартні розчини різних концентрацій (метод стандартних серій).

Однак візуально неможливо встановити кількісно, ​​у скільки разів один розчин пофарбований інтенсивніше за інший. В цьому випадку можна встановити тільки однакове забарвлення аналізованого розчину при порівнянні його зі стандартним.

Основний закон поглинання світла.

Якщо світловий потік, інтенсивність якого I 0 направити на розчин, що знаходиться в плоскій скляній посудині (кюветі), то одна частина його інтенсивністю I r відбивається від поверхні кювети, інша частина інтенсивністю I а поглинається розчином і третина інтенсивністю I t проходить через розчин. Між цими величинами є залежність:

I 0 = I r + I а + I t (1)

Т.к. інтенсивність I r відбитої частини світлового потоку під час роботи з однаковими кюветами постійна і незначна, то розрахунках нею можна знехтувати. Тоді рівність (1) набуває вигляду:

I 0 = I а + I t (2)

Ця рівність характеризує оптичні властивості розчину, тобто. його здатність поглинати мул пропускати світло.

Інтенсивність поглиненого світла залежить від кількості пофарбованих частинок у розчині, які поглинають світло більше, ніж розчинник.

Світловий потік, проходячи через розчин, втрачає частину інтенсивності – тим більшу, чим більша концентрація та товщина шару розчину. Для пофарбованих розчинів існує залежність, яка називається законом Бугера – Ламберта – Бера (між ступенем поглинання світла, інтенсивністю падаючого світла, концентрацією забарвленої речовини та товщиною шару).

За цим законом, поглинання монохроматографічного світла, що пройшло через шар пофарбованої рідини, пропорційно концентрації та товщині шару його:

I = I 0 · 10-kCh,

де I- Інтенсивність світлового потоку, що пройшов через розчин; I 0- Інтенсивність падаючого світла; З- Концентрація, моль/л; h- Товщина шару, см; k- Мольний коефіцієнт поглинання.

Мольний коефіцієнт поглинання k– оптична щільність розчину, що містить 1 моль/лпоглинаючої речовини, при товщині шару 1 див.Він залежить від хімічної природи і фізичного стану речовини, що поглинає світло, і від довжини хвилі монохроматичного світла.

Спосіб стандартних серій.

Метод стандартних серій заснований на отриманні однакової інтенсивності забарвлення досліджуваного та стандартного розчинів за однакової товщини шару. Забарвлення досліджуваного розчину порівнюють із забарвленням ряду стандартних розчинів. При однаковій інтенсивності фарбування концентрації досліджуваного та стандартного розчинів рівні.

Для приготування серії стандартних розчинів беруть 11 пробірок однакової форми, розміру та з однакового скла. Наливають з бюретки стандартний розчин у поступово зростаючій кількості, наприклад: 1 пробірку 0,5 мл, у 2-ю 1 мл, о 3-й 1,5 мл, і т.д. - До 5 мл(кожну наступну пробірку на 0,5 мл більше, ніж у попередню). У всі пробірки наливають рівні об'єми розчину, що дає з іоном, що визначається кольорову реакцію. Розчини розбавляють так, щоб рівні рідини у всіх пробірках були однакові. Пробірки закривають пробками, ретельно перемішують вміст і розміщують у штативі за зростаючими концентраціями. Таким чином одержують кольорову шкалу.

До досліджуваного розчину однаковій пробірці додають стільки ж реактиву, розбавляють водою до того ж об'єму, як і в інших пробірках. Закривають пробкою, ретельно перемішують вміст. Забарвлення досліджуваного розчину порівнюють із забарвленням стандартних розчинів білому тлі. Розчини мають бути добре освітлені розсіяним світлом. Якщо інтенсивність забарвлення досліджуваного розчину збігається з інтенсивністю забарвлення одного з розчинів кольорової шкали, концентрації цього і досліджуваного розчинів рівні. Якщо ж інтенсивність забарвлення досліджуваного розчину проміжна між інтенсивністю двох сусідніх розчинів шкали, його концентрація дорівнює середньої концентрації цих розчинів.

Застосування методу стандартних розчинів є доцільним лише при масовому визначенні якоїсь речовини. Заготовлена ​​серія стандартних розчинів є відносно коротким часом.

Метод зрівнювання інтенсивності фарбування розчинів.

Метод зрівнювання інтенсивності фарбування досліджуваного та стандартного розчинів проводиться шляхом зміни висоти шару одного із розчинів. Для цього в 2 однакові судини поміщають забарвлені розчини: досліджуваний і стандартний. Змінюють висоту шару розчину одному з судин до того часу, поки інтенсивність забарвлення обох розчинах стане однаковою. У цьому випадку визначають концентрацію досліджуваного розчину ісл. , порівнюючи її з концентрацією стандартного розчину:

З досл. = З ст · h ст / h ісл,

де h ст і h ісл - висота шару відповідно стандартного та досліджуваного розчину.

Прилади, що служать визначення концентрацій досліджуваних розчинів методом зрівнювання інтенсивності забарвлення, називаються колориметрами.

Розрізняють візуальні та фотоелектричні колориметри. При візуальних колориметричних термінах інтенсивність забарвлення вимірюють безпосереднім спостереженням. Фотоелектричні методи ґрунтуються на використанні фотоелементів-фотоколориметрів. Залежно від інтенсивності падаючого пучка світла у фотоелементі виникає електричний струм. Сила струму, спричинена впливом світла, вимірюється гальванометром. Відхилення стрілки показує інтенсивність фарбування.

Спектрофотометрія.

Фотометричний методзаснований на вимірі поглинання аналізованою речовиною світла не строго монохроматичного випромінювання.

Якщо у фотометричному методі аналізу використовувати монохроматичне випромінювання (випромінювання однієї довжини хвилі), такий спосіб називають спектрофотометрією. Ступінь монохроматичності потоку електромагнітного випромінювання визначають мінімальним інтервалом довжин хвиль, який виділяється монохроматором (світлофільтром, дифракційною решіткою або призмою) з суцільного потоку електромагнітного випромінювання.

До спектрофотометріївідносять також область вимірювальної техніки, що об'єднує спектрометрію, фотометрію та метрологію та займається розробкою системи методів та приладів для кількісних вимірювань спектральних коефіцієнтів поглинання, відображення, випромінювання, спектральної яскравості як характеристик середовищ, покриттів, поверхонь, випромінювачів.

Стадії спектрофотометричного дослідження:

1) проведення хімічної реакції для одержання систем, зручних для проведення спектрофотометричного аналізу;

2) вимірювання поглинання одержаних розчинів.

Сутність методу спектрофотометрії

Залежність поглинання розчину речовини від довжини хвилі на графіці зображується у вигляді спектра поглинання речовини, на якому легко виділити максимум поглинання при довжині хвилі світла, максимально поглинається речовиною. Вимір оптичної щільності розчинів речовин на спектрофотометрах проводять при довжині хвилі максимуму поглинання. Це дозволяє аналізувати в одному розчині речовини, максимуми поглинання яких розташовані за різних довжин хвиль.

У спектрофотометрії в ультрафіолетовій та видимій областях використовують електронні спектри поглинання.

Вони характеризують найвищі енергетичні переходи, яких здатний обмежений коло сполук і функціональних груп. У неорганічних сполуках електронні спектри пов'язані з високою поляризацією атомів, що входять до молекули речовини, і зазвичай з'являються у комплексних сполук. У органічних сполук виникнення електронних спектрів викликається переходом електронів з основного на збуджені рівні.

На положення та інтенсивність смуг поглинання сильно впливає іонізація. При іонізації по кислотному типу в молекулі з'являється додаткова неподілена пара електронів, що призводить до додаткового батох-ромного зсуву (зсуву в довгохвильову область спектру) і підвищення інтенсивності смуги поглинання.

У багатьох речовин є кілька смуг поглинання.

Для спектрофотометричних вимірювань в ультрафіолетовій та видимій областях застосовується два типи приладів - нереєструючі(результат спостерігають на шкалі приладу візуально) та реєструючі спектрофотометри.

Люмінесцентний метод аналізу.

Люмінесценція- Здатність до самостійного світіння, що виникає під різними впливами.

Класифікація процесів, що викликають люмінесценцію:

1) фотолюмінесценція (збудження видимим або ультрафіолетовим світлом);

2) хемілюмінесценція (збудження за рахунок енергії хімічних реакцій);

3)катодолюмінесценція (збудження електронним ударом);

4) термолюмінесценція (збудження нагріванням);

5) триболюмінесценція (збудження механічним впливом).

У хімічному аналізі мають значення перші два види люмінесценції.

Класифікація люмінесценції щодо наявності післясвіту. Воно може припинятися відразу при зникненні збудження. флюоресценціяабо тривати певний час після припинення збудливої ​​дії - фосфоресценція. В основному використовують явище флюоресценції, тому метод названий флюориметрією.

Застосування флюориметрії: аналіз слідів металів, органічних (ароматичних) сполук, вітамінів D, 6 .Флюоресцентні індикатори застосовують при титруванні в каламутних або темно-забарвлених середовищах (титрування ведуть у темряві, висвітлюючи розчин, що титрується, куди доданий індикатор, світлом люмінесцентної лампи).

Нефелометричний аналіз.

Нефелометріязапропонована Ф. Кобером в 1912 р. і заснована на вимірі інтенсивності світла, розсіяного суспензією частинок за допомогою фотоелементів.

За допомогою нефелометрії вимірюють концентрацію речовин, які не розчиняються у воді, але утворюють стійкі суспензії.

Для проведення нефелометричних вимірів застосовуються нефелометри, аналогічні за принципом колориметрам, з тією лише різницею, що за нефелометрії

При проведенні фотонефелометричного аналізуспочатку за результатами визначення серії стандартних розчинів будують калібрувальний графік, потім проводять аналіз досліджуваного розчину і за графіком визначають концентрацію речовини, що аналізується. Для стабілізації одержуваних суспензій додають захисний колоїд - розчин крохмалю, желатину та ін.

Поляриметричний аналіз.

Електромагнітні коливання природного світла відбуваються у всіх площинах перпендикулярних до напрямку променя. Кристалічна решітка має здатність пропускати промені лише певного напрямку. Після виходу з кристала коливання променя відбуваються лише у одній площині. Промінь, коливання якого знаходяться в одній площині, називається поляризованим. Площина, у якій відбуваються коливання, називається площиною коливанняполяризованого променя, а площина, перпендикулярна до неї, - площина поляризації.

Поляриметричний метод аналізу ґрунтується на вивченні поляризованого світла.

Рефрактометричний метод аналізу.

У основі рефрактометричного методу аналізу лежить визначення показника заломлення досліджуваного речовини, т.к. індивідуальна речовина характеризується певним показником заломлення.

Технічні продукти завжди містять домішки, які впливають величину показника заломлення. Тому показник заломлення може часом служити характеристикою чистоти продукту. Наприклад, сорти очищеного скипидару розрізняють за показниками заломлення. Так, показники заломлення скипидару при 20° для жовтого кольору, позначені через n 20 D (запис означає, що показник заломлення виміряний при 20°С, довжина хвилі падаючого світла дорівнює 598 ммк), рівні:

Перший сорт Другий сорт Третій сорт

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

Рефрактометричний метод аналізу можна застосовувати для подвійних систем, наприклад визначення концентрації речовини на водному або органічному розчинах. У цьому випадку аналіз ґрунтується на залежності показника заломлення розчину від концентрації розчиненої речовини.

Для деяких розчинів є таблиці залежності показників заломлення від їхньої концентрації. В інших випадках аналізують методом калібрувальної кривої: готують серію розчинів відомих концентрацій, вимірюють показники заломлення і будують графік залежності показників заломлення від концентрації, тобто. будують калібрувальну криву. Нею визначають концентрацію досліджуваного розчину.

Показник заломлення.

При переході променя світла з одного середовища до іншого його напрямок змінюється. Він заломлюється. Показник заломлення дорівнює відношенню синуса кута падіння до синуса кута заломлення (ця величина стала і характерна для даного середовища):

n = sin α / sin β,

де α та β – кути між напрямком променів та перпендикуляром до поверхні розділу обох середовищ (рис. 1)

Показник заломлення – відношення швидкостей світла в повітрі та досліджуваному середовищі (якщо промінь світла падає з повітря).

Показник заломлення залежить від:

1. довжини хвилі падаючого світла (зі збільшенням довжини хвилі показник

заломлення зменшується);

2. температури (зі збільшенням температури показник заломлення зменшується);

3. тиску (для газів).

При позначенні показника заломлення вказують довжини хвилі падаючого світла та температуру виміру. Наприклад, запис n 20 D означає, що показник заломлення виміряний при 20°С, довжина хвилі падаючого світла дорівнює 598 ммк. У технічних довідниках показники заломлення наведені за n 20 D .

Визначення показника заломлення рідини.

Перед початком роботи поверхню призм рефрактометра промивають дистильованою водою та спиртом, перевіряють правильність встановлення нульової точки приладу та приступають до визначення показника заломлення досліджуваної рідини. Для цього поверхню вимірювальної призми обережно протирають ваткою, змоченою рідиною, що досліджується, і наносять на цю поверхню кілька її крапель. Призми закривають і, обертаючи їх, наводять межу світлотіні на хрест ниток окуляра. Компенсатором усувають спектр. При відліку показника заломлення три десяткові знаки беруть за шкалою рефрактометра, а четвертий – на око. Потім зсувають кордон світлотіні, знову поєднують її з центром візирного хреста і роблять повторний відлік. Т.о. виробляють 3 або 5 відліків, після чого промивають та витирають робочі поверхні призм. Досліджувану речовину знову наносять на поверхню вимірювальної призми та проводять другу серію вимірювань. З даних беруть середнє арифметичне значення.

Радіометричний аналіз.

Радіометричний аналіз ззаснований на вимірі випромінювань радіоактивних елементів та застосовується для кількісного визначення радіоактивних ізотопів у досліджуваному матеріалі. При цьому вимірюють або природну радіоактивність обумовленого елемента або штучну радіоактивність, одержувану за допомогою радіоактивних ізотопів.

Радіоактивні ізотопи ідентифікують за періодом їхнього напіврозпаду або за видом і енергії випромінювання, що випускається. У практиці кількісного аналізу найчастіше вимірюють активність радіоактивних ізотопів за їх α-, β- та γ-випромінювання.

Застосування радіометричного аналізу:

Вивчення механізму хімічних реакцій.

Методом мічених атомів досліджують ефективність різних прийомів внесення добрив у ґрунт, шляхи проникнення в організм мікроелементів, нанесених на листя рослини, тощо. Особливо широко використовують в агрохімічних дослідженнях радіоактивні фосфор 32 Р та азот 13 N.

Аналіз радіоактивних ізотопів, що використовуються для лікування онкологічних захворювань та визначення гормонів, ферментів.

Мас-спектральний аналіз.

Заснований на визначенні мас окремих іонізованих атомів, молекул та радикалів у результаті комбінованої дії електричного та магнітних полів. Реєстрацію розділених частинок проводять електричним (мас-спектрометрія) або фотографічним (мас-спектрографія) способами. Визначення проводять на приладах – мас-спектрометрах чи мас-спектрографах.

Електрохімічні методи аналізу.

Електрохімічні методи аналізу та дослідження засновані на вивченні та використанні процесів, що протікають на поверхні електрода або у приелектродному просторі. Аналітичний сигнал- електричний параметр (потенціал, сила струму, опір), який залежить від концентрації речовини, що визначається.

Розрізняють пряміі непрямі електрохімічні методи. У прямих методах використовують залежність сили струму від концентрації визначуваного компонента. У непрямих - силу струму (потенціал) вимірюють знаходження кінцевої точки титрування (точки еквівалентності) визначається компонента титрантом.

До електрохімічних методів аналізу відносять:

1. потенціометрію;

2. кондуктометрію;

3. кулонометрію;

4. амперометрію;

5. полярографію.

Електроди, які у електрохімічних методах.

1.Електрод порівняння та індикаторний електрод.

Електрод порівняння- це електрод із постійним потенціалом, нечутливий до іонів розчину. Електрод порівняння має стійкий у часі відтворюваний потенціал, що не змінюється при проходженні невеликого струму, і щодо його звіт звітують про потенціал індикаторного електрода. Використовують хлорсрібний та каломельний електроди. Хлорсрібний електрод - срібний дріт, покритий шаром AgCI і поміщений у розчин KCI. Потенціал електрода визначається концентрацією іону хлору в розчині:

Каломельний електрод складається з металевої ртуті, каломелі та розчину KCI. Потенціал електрода залежить від концентрації хлорид-іонів та температури.

Індикаторний електрод- це реагує на концентрацію визначених іонів електрод. Індикаторний електрод змінює свій потенціал із зміною концентрації "потенціаловизначальних іонів". Індикаторні електроди ділять на незворотні та оборотні. Стрибки потенціалу оборотних індикаторних електродів на міжфазних межах залежать від активності учасників електродних реакцій відповідно до термодинамічних рівнянь; рівновага встановлюється досить швидко. Необоротні індикаторні електроди не відповідають вимогам оборотних. У аналітичній хімії застосовуються оборотні електроди, котрим виконується рівняння Нернста.

2. Металеві електроди: електронообмінні та іонообмінні.

електроннообмінногоелектрода на міжфазному кордоні протікає реакція за участю електронів. Електронообмінні електроди ділять на електроди першого родута електроди другого роду. Електроди першого роду – металева пластина (срібло, ртуть, кадмій), занурена в розчин добре розчинної солі цього металу. Електроди другого роду - метал, покритий шаром малорозчинної сполуки цього металу і занурений у розчин добре розчинної сполуки з тим же аніоном (хлорсрібний, каломельний електроди).

Іонообмінні електроди- електроди, потенціал яких залежить від відношення концентрацій окисленої та відновленої форм однієї або кількох речовин у розчині. Такі електроди виготовляються з інертних металів, наприклад із платини або золота.

3. Мембранні електродиявляють собою пористу пластинку, просочену рідиною, яка не змішується з водою і здатна до вибіркової адсорбції певних іонів (наприклад, розчини хелатів Ni 2+ , Cd 2+ , Fe 2+ в органічному розчині). Робота мембранних електродів заснована на виникненні різниці потенціалів на межі розділу фаз та встановлення рівноваги обміну між мембраною та розчином.

Потенціометричний метод аналізу.

Потенціометричний метод аналізу ґрунтується на вимірі потенціалу електрода, зануреного в розчин. При потенціометричних вимірах складають гальванічний елемент з індикаторним електродом та електродом порівняння та вимірюють електрорушійну силу (ЕРС).

Різновиди потенціометрії:

Пряма потенціометріязастосовується для безпосереднього визначення концентрації значення потенціалу індикаторного електрода за умови оборотності електродного процесу.

Непряма потенціометріязаснована на тому, що зміна концентрації іона супроводжується зміною потенціалу на електроді, зануреному в розчин, що титрується.

У потенціометричному титруванні виявляють кінцеву точку по стрибку потенціалу, обумовлену заміною електрохімічної реакції на іншу відповідно до значення Е (стандартний електродний потенціал).

Значення потенціалу залежить від концентрації відповідних іонів у розчині. Наприклад, потенціал срібного електрода, зануреного в розчин солі срібла, змінюється із зміною концентрації Ag + -іонів у розчині. Тому, вимірявши потенціал електрода, зануреного у розчин даної солі невідомої концентрації, можна визначити вміст відповідних іонів у розчині.

Електрод, за потенціалом якого судять про концентрацію іонів, що визначаються в розчині, називають індикаторним електродом.

Потенціал індикаторного електрода визначають, порівнюючи його з потенціалом іншого електрода, який прийнято називати електроді порівняння.Як електрод порівняння може бути застосований тільки такий електрод, потенціал якого залишається незмінною при зміні концентрації іонів, що визначаються. Як електрод порівняння застосовують стандартний (нормальний) водневий електрод.

Насправді часто як електрода порівняння з відомим значенням електродного потенціалу користуються не водневим, а каломельним електродом (рис. 1). Потенціал каломельного електрода з насиченим розчином КО при 20 ° С дорівнює 0,2490 В.

Кондуктометричний метод аналізу.

Кондуктометричний метод аналізу заснований на вимірі електропровідності розчинів, що змінюється внаслідок хімічних реакцій.

Електропровідність розчину залежить від природи електроліту, його температури та концентрації розчиненої речовини. Електропровідність розведених розчинів обумовлена ​​рухом катіонів та аніонів, що відрізняються різною рухливістю.

З підвищенням температури електропровідність збільшується, оскільки збільшується рухливість іонів. При даній температурі електропровідність розчину електроліту залежить від його концентрації: як правило, чим вища концентрація, тим більша електропровідність! Отже, електропровідність даного розчину служить показником концентрації розчиненої речовини та обумовлюється рухливістю іонів.

У найпростішому випадку кількісного кондуктометричного визначення, коли в розчині міститься тільки один електроліт, будують графік залежності електропровідності розчину аналізованої речовини від його концентрації. Визначивши електропровідність досліджуваного розчину, за графіком знаходять концентрацію речовини, що аналізується.

Так, електропровідність баритової води змінюється прямо пропорційно вмісту в розчині (ОН) 2 . Ця залежність графічно виражається прямою лінією. Щоб визначити вміст Ва(ОН) 2 у баритової воді невідомої концентрації, треба визначити її електропровідність і за калібрувальним графіком знайти концентрацію Ва(ОН)2, відповідну цьому значенню електропровідності. Якщо через розчин Ва(ОН) 2 , електропровідність якого відома, пропустити виміряний об'єм газу, що містить діоксид вуглецю, то С0 2 реагує з Ва(ОН) 2:

(ОН) 2 + С0 2 → С0 3 + Н 2 0

В результаті цієї реакції вміст (ОН) 2 в розчині зменшиться і електропровідність баритової води знизиться. Вимірявши електропровідність баритової води після поглинання нею С0 2 можна визначити, наскільки знизилася концентрація Ва(ОН) 2 в розчині. По різниці концентрацій Ва(ОН) 2 в баритової води легко розрахувати кількість поглиненої

Аналіз речовини може проводитися з метою встановлення якісного чи кількісного її складу. Відповідно до цього розрізняють якісний та кількісний аналіз.

Якісний аналіз дозволяє встановити, з яких хімічних елементів складається аналізована речовина та які іони, групи атомів або молекули входять до його складу. При дослідженні складу невідомої речовини якісний аналіз завжди передує кількісному, оскільки вибір методу кількісного визначення складових частин речовини, що аналізується, залежить від даних, отриманих при його якісному аналізі.

Якісний хімічний аналіз здебільшого ґрунтується на перетворенні аналізованої речовини на якусь нову сполуку, що має характерні властивості: колір, певний фізичний стан, кристалічну або аморфну ​​структуру, специфічний запах тощо. Хімічне перетворення, що відбувається при цьому, називають якісною аналітичною реакцією, а речовини, що викликають це перетворення, називають реактивами (реагентами).

При аналізі суміші кількох речовин, близьких за хімічними властивостями, їх попередньо поділяють і потім проводять характерні реакцію окремі речовини (або іони), тому якісний аналіз охоплює як окремі реакції виявлення іонів, а й методи їх поділу.

Кількісний аналіз дозволяє встановити кількісні співвідношення частин цієї сполуки або суміші речовин. На відміну від якісного аналізу кількісний аналіз дає можливість визначити вміст окремих компонентів аналізованої речовини або загальний вміст речовини, що визначається в досліджуваному продукті.

Методи якісного та кількісного аналізу, що дозволяють визначити в аналізованій речовині вміст окремих елементів, називають елементами аналізу; функціональних груп – функціональним аналізом; індивідуальних хімічних сполук, що характеризуються певною молекулярною вагою, – молекулярним аналізом.

Сукупність різноманітних хімічних, фізичних і фізико-хімічних методів поділу та визначення окремих структурних (фазових) складових гетерогенних систем, що відрізняються за властивостями та фізичною будовою та обмежені одна від одної поверхнями розділу, називають фазовим аналізом.

Методи якісного аналізу

У якісному аналізі встановлення складу досліджуваного речовини використовують характерні хімічні чи фізичні властивості цієї речовини. Зовсім немає необхідності виділяти елементи, що відкриваються, в чистому вигляді, щоб виявити їх присутність в аналізованій речовині. Однак виділення у чистому вигляді металів, неметалів та їх сполук іноді використовується в якісному аналізі для їх ідентифікації, хоча такий шлях аналізу дуже важкий. Для виявлення окремих елементів користуються більш простими та зручними методами аналізу, заснованими на хімічних реакціях, характерних для іонів даних елементів і протікають за певних умов.

Аналітичною ознакою присутності в аналізованому поєднанні шуканого елемента є виділення газу, що відрізняється специфічним запахом; в іншому - випадінні осаду, що характеризується певним кольором.

Реакції, що протікає між твердими речовинами та газами. Аналітичні реакції можуть протікати не тільки в розчинах, але і між твердими, а також і газоподібними речовинами.

Прикладом реакції між твердими речовинами є виділення реакція металевої ртуті при нагріванні сухих солей її з карбонатом натрію. Утворення білого диму при взаємодії газоподібного аміаку з хлористим воднем може бути прикладом аналітичної реакції з участю газоподібних речовин.

Реакції, що застосовуються в якісному аналізі, можна поділити на такі групи.

1. Реакції осадження, що супроводжуються утворенням опадів різних кольорів. Наприклад:

CaC2O4 - білого кольору

Fe43 - синій,

CuS – коричнево – жовтий

HgI2 – червоний

MnS - тілесно - рожевий

PbI2 - золотистий

Опади, що утворюються, можуть відрізнятися певною кристалічною структурою, розчинністю в кислотах, лугах, аміаку і т.п.

2. Реакції, що супроводжуються утворенням газів, що мають відомий запах, розчинність і т.д.

3. Реакції, що супроводжуються утворенням слабких електролітів. До таких реакцій, в результаті який утворюються:CH3COOH, H2F2, NH4OH, HgCl2, Hg(CN)2, Fe(SCN)3 і т.п. Реакціями цього ж типу можна вважати реакції кислотно - основної взаємодії, що супроводжуються утворенням нейтральних молекул води, реакції утворення газів та малорозчинних у воді опадів та реакції комплексоутворення.

4. Реакції кислотно-основної взаємодії, що супроводжуються переходом протонів.

5. Реакції комплексоутворення, що супроводжуються приєднанням до атомів комплексоутворювача різних легандів - іонів і молекул.

6. Реакції комплексоутворення, пов'язані з кислотно-основною взаємодією

7. Реакції окислення – відновлення, що супроводжуються переходом електронів.

8. Реакції окислення – відновлення, пов'язані з кислотно – основною взаємодією.

9. Реакції окислення – відновлення, пов'язані з комплексоутворенням.

10. Реакції окислення – відновлення, що супроводжуються утворенням опадів.

11. Реакції іонного обміну, які відбуваються на катіонітах чи аніонітах.

12. Каталітичні реакції, що використовуються у кінетичних методах аналізу

Аналіз мокрим та сухим шляхом

Реакції, які застосовують у якісному хімічному аналізі, найчастіше проводять у розчинах. Аналізована речовина спочатку розчиняють, а потім діють на отриманий розчин відповідними реактивами.

Для розчинення аналізованої речовини застосовують дистильовану воду, оцтову та мінеральні кислоти, царську горілку, водний розчин аміаку, органічні розчинники тощо. Чистота розчинників є важливою умовою для отримання правильних результатів.

Переведену в розчин речовину піддають систематичному хімічному аналізу. Систематичний аналіз складається з ряду попередніх випробувань і реакцій, що послідовно виконуються.

Хімічний аналіз досліджуваних речовин у розчинах називають аналізо мокрим шляхом.

У деяких випадках речовини аналізують сухим шляхом, без переведення їх у розчин. Найчастіше такий аналіз зводиться до випробування здатності речовини забарвлювати безбарвне полум'я пальника в характерний колір або надавати певного забарвлення плаву (так звану перлу), отриманого при нагріванні речовини з тетраборатом натрію (бурою) або фосфатом натрію ("фосфорною сіллю") у вушці з платин дроту.

Хімічний та фізичний метод якісного аналізу.

Хімічні методи аналізу. Методи визначення складу речовин, що ґрунтуються на використанні їх хімічних властивостей, називають хімічними методами аналізу.

Хімічні методи аналізу широко застосовують у практиці. Однак вони мають низку недоліків. Так, визначення складу даного речовини іноді необхідно попередньо відокремити визначувану складову частину від сторонніх домішок і виділити її в чистому вигляді. Виділення речовин у чистому вигляді часто становить дуже важке, а іноді й нездійсненне завдання. Крім того, для визначення малих кількостей домішок (менше 10"4%), що містяться в аналізованій речовині, іноді доводиться брати великі проби.

Фізичні методи аналізу. Присутність того чи іншого хімічного елемента у зразку можна виявити і не вдаючись до хімічних реакцій, ґрунтуючись безпосередньо на вивченні фізичних властивостей досліджуваної речовини, наприклад, фарбуванні безбарвного полум'я пальника в характерні кольори летючими сполуками деяких хімічних елементів.

Методи аналізу, з яких можна визначити склад досліджуваного речовини, не вдаючись до використання хімічних реакцій, називають фізичними методами аналізу. До фізичних методів аналізу належать методи, що ґрунтуються на вивченні оптичних, електричних, магнітних, теплових та інших фізичних властивостей аналізованих речовин.

До найбільш широко застосовуваних фізичних методів аналізу належать такі.

Спектральний якісний аналіз. Спектральний аналіз заснований на спостереженні емісійних спектрів (спектрів випромінювання або випромінювання) елементів, що входять до складу аналізованої речовини.

Люмінесцентний (флуоресцентний) якісний аналіз. Люмінесцентний аналіз заснований на спостереженні люмінесценції (випромінювання світла) аналізованих речовин, що викликається дією ультрафіолетових променів. Метод застосовується для аналізу природних органічних сполук, мінералів, медичних препаратів, низки елементів та інших.

Для збудження світіння досліджувану речовину або її розчин опромінюють ультрафіолетовими променями. При цьому атоми речовини, поглинувши певну кількість енергії, переходять у збуджений стан. Цей стан характеризується більшим запасом енергії, ніж нормальний стан речовини. При переході речовини від збудженої нормального стану виникає люмінесценція з допомогою надлишкової енергії.

Люмінесценцію, що дуже швидко загасає після припинення опромінення, називають флуоресценцією.

Спостерігаючи характер люмінесцентного світіння та вимірюючи інтенсивність, або яскравість люмінесценції сполуки або її розчинів, можна будувати висновки про склад досліджуваного речовини.

У ряді випадків визначення ведуть на підставі вивчення флуоресценції, що виникає в результаті взаємодії речовини, що визначається, з деякими реактивами. Відомі також люмінесцентні індикатори, що застосовуються для визначення реакції середовища зміни флуоресценції розчину. Люмінесцентні індикатори застосовують для дослідження забарвлених середовищ.

Рентгеноструктурний аналіз. За допомогою рентгенівських променів можна встановити розміри атомів (або іонів) та їх взаємне розташування в молекулах досліджуваного зразка, тобто виявляється можливим визначити структуру кристалічних ґрат, склад речовини та іноді наявність у ньому домішок. Метод не вимагає хімічної обробки речовини та великих її кількостей.

Мас-спектрометричний аналіз. Метод заснований на визначенні окремих іонізованих частинок, що відхиляються електромагнітним полем більшою чи меншою мірою залежно від відношення їхньої маси до заряду (докладніше див. книга 2).

Фізичні методи аналізу, маючи ряд переваг перед хімічними, в деяких випадках дають можливість вирішувати питання, які не вдається вирішити методами хімічного аналізу; користуючись фізичними методами, можна розділити елементи, що важко розділяються хімічними методами, а також вести безперервну та автоматичну реєстрацію показань. Дуже часто фізичні методи аналізу застосовують поряд із хімічними, що дозволяє використовувати переваги тих та інших методів. Поєднання методів має особливо важливе значення щодо в аналізованих об'єктах нікчемних кількостей (слідів) домішок.

Макро-, напівмікро- та мікрометоди

Аналіз великих та малих кількостей досліджуваної речовини. У час хіміки користувалися для аналізу великими кількостями досліджуваного речовини. Щоб визначити склад будь-якої речовини, брали проби у кілька десятків грамів і розчиняли в великому обсязі рідини. Для цього був потрібний і хімічний посуд відповідної ємності.

В даний час хіміки обходяться в аналітичній практиці малими кількостями речовин. Залежно від кількості аналізованої речовини, обсягу розчинів, що використовуються для аналізу, і головним чином від техніки виконання експерименту, методи аналізу ділять на макро-, напівмікро- і мікрометоди.

При виконанні аналізу макрометодом для проведення реакції беруть кілька мл розчину, що містить не менше 0,1 г речовини, і до випробуваного розчину додають не менше 1 мл розчину реактиву. Реакції проводять у пробірках. При осадженні одержують об'ємні опади, які відокремлюють фільтруванням через воронки з паперовими фільтрами.

Краплинний аналіз

Техніка проведення реакцій у краплинному аналізі. Велике значення в аналітичній хімії набув так званого крапельного аналізу, введеного в аналітичну практику Н. А. Тананаєвим.

При роботі цим методом велике значення мають явища капілярності та адсорбції, за допомогою яких можна відкривати та розділяти різні іони за їх спільної присутності. При краплинному аналізі окремі реакції проводять на фарфорових або скляних пластинках або на фільтрувальному папері. При цьому на пластинку або папір наносять краплю випробуваного розчину та краплю реактиву, що викликає характерне фарбування або утворення кристалів.

При виконанні реакції на фільтрувальному папері використовують капілярно-адсорбційні властивості паперу. Рідина всмоктується папером, а пофарбована сполука, що утворюється, адсорбується на невеликій ділянці паперу, внаслідок чого підвищується чутливість реакції.

Мікрокристаллоскопічний аналіз

Мікрокристаллоскопічний метод аналізу заснований на виявленні катіонів і аніонів за допомогою реакції, в результаті яких утворюється сполука, що має характерну форму кристалів.

Раніше цей метод застосовувався у якісному мікрохімічному аналізі. В даний час він використовується також і в краплинному аналізі.

Для розгляду кристалів, що утворюються, в мікрокристаллоскопічному аналізі користуються мікроскопом.

Кристали характерної форми користуються при роботі з чистими речовинами шляхом внесення краплі розчину або кристаліка реактиву в краплю речовини, що досліджується, поміщену на предметному склі. Через деякий час з'являються ясно помітні кристали певної форми та кольору.

Метод розтирання порошку

Для виявлення деяких елементів іноді застосовують метод розтирання у фарфоровій пластинці порошкоподібної аналізованої речовини з твердим реагентом. Елемент, що відкривається, виявляється за утворенням характерних сполук, що відрізняються за кольором або запахом.

Методи аналізу, засновані на нагріванні та сплавленні речовини

Пірохімічний аналіз. Для аналізу речовин застосовують також методи, що ґрунтуються на нагріванні випробуваної твердої речовини або її сплавленні з відповідними реагентами. Одні речовини при нагріванні плавляться за певної температури, інші виганяються, причому на холодних стінках приладу з'являються характерні для кожної речовини опади; деякі з'єднання при нагріванні розкладаються із виділенням газоподібних продуктів тощо.

При нагріванні аналізованої речовини у суміші з відповідними реагентами відбуваються реакції, що супроводжуються зміною кольору, виділенням газоподібних продуктів, утворенням металів.

Спектральний якісний аналіз

Крім описаного вище способу спостереження неозброєним оком за фарбуванням безбарвного полум'я при внесенні до нього платинового дроту з аналізованою речовиною в даний час широко використовуються інші способи дослідження світла, що випромінюється розпеченими парами або газами. Ці способи ґрунтуються на застосуванні спеціальних оптичних приладів, опис яких дається в курсі фізики. У такого роду спектральних приладах відбувається розкладання в спектр світла з різними довжинами хвиль, що випускається зразком розжареного в полум'ї речовини.

Залежно від способу спостереження спектра спектральні прилади називають спектроскопами, за допомогою яких ведуть візуальне спостереження спектра, або спектрографами, в яких фотографуються.

Хроматографічний метод аналіз

Метод заснований на вибірковому поглинанні (адсорбції) окремих компонентів аналізованої суміші різними адсорбентами. Адсорбентами називають тверді тіла, на поверхні яких відбувається поглинання речовини, що адсорбується.

Сутність хроматографічного методу аналізу коротко ось у чому. Розчин суміші речовин, що підлягають поділу, пропускають через скляну трубку (адсорбційну колонку), заповнену адсорбентом.

Кінетичні методи аналізу

Методи аналізу, засновані на вимірі швидкості реакції та використання її величини для визначення концентрації, поєднуються під загальною назвою кінетичних методів аналізу (К. Б. Яцимирський).

Якісне виявлення катіонів та аніонів кінетичними методами виконується досить швидко та порівняно просто, без застосування складних приладів.

Вивчення речовин – досить складна та цікава справа. Адже у чистому вигляді вони у природі практично ніколи не зустрічаються. Найчастіше це суміші складного складу, в яких поділ компонентів потребує певних зусиль, навичок та обладнання.

Після поділу не менш важливо правильно визначити належність речовини до того чи іншого класу, тобто його ідентифікувати. Визначити температури кипіння і плавлення, розрахувати молекулярну масу, перевірити щодо радіоактивності тощо, загалом, досліджувати. І тому використовуються різні методи, зокрема і фізико-хімічні методи аналізу. Вони досить різноманітні та вимагають застосування, як правило, особливого обладнання. Про них і йтиметься далі.

Фізико-хімічні методи аналізу: загальне поняття

Що таке подібні способи ідентифікації сполук? Це такі методи, основою яких покладено пряма залежність всіх фізичних властивостей речовини від його структурного хімічного складу. Так як ці показники суворо індивідуальні для кожної сполуки, то фізико-хімічні методи дослідження вкрай ефективні і дають 100% результат щодо складу і інших показників.

Так, за основу можуть бути взяті такі властивості речовини, як:

• здатність до світлопоглинання;
• теплопровідність;
• електропровідність;
• Температура кипіння;
• плавлення та інші параметри.

Фізико-хімічні методи дослідження мають суттєву відмінність від суто хімічних способів ідентифікації речовин. Внаслідок їх роботи не відбувається реакція, тобто перетворення речовини як оборотної, так і незворотної. Як правило, з'єднання залишаються недоторканими як по масі, так і за складом.

Особливості даних методів дослідження

Існує кілька основних особливостей, притаманних подібних способів визначення речовин.

1. Зразок дослідження необов'язково очищати від домішок перед проведенням процедури, оскільки цього не вимагає обладнання.
2. Фізико-хімічні методи аналізу мають високий ступінь чутливості, а також підвищену вибірковість. Тому для аналізу необхідно зовсім невелику кількість досліджуваного зразка, що робить ці способи дуже зручними та ефективними. Навіть якщо потрібно визначити елемент, який міститься в загальній сирій масі у мізерно малих кількостях, для зазначених методів це не є перешкодою.
3. Аналіз займає лише кілька хвилин, тому ще одна особливість – це короткочасність, або експресність.
4. Методи дослідження, що розглядаються, не вимагають застосування дорогих індикаторів.

Очевидно, що переваг та особливостей достатньо, щоб зробити фізико-хімічні способи дослідження універсальними та затребуваними практично у всіх дослідженнях незалежно від галузі діяльності.

Класифікація

Можна виділити кілька ознак, з урахуванням яких класифікуються аналізовані методи. Однак ми наведемо найзагальнішу систему, що об'єднує та охоплює всі основні способи дослідження, які стосуються безпосередньо фізико-хімічних.

1. Електрохімічні методи дослідження. Поділяються на основі параметра, що вимірюється на:

• потенціометрію;
• вольтамперометрію;
• полярографію;
• осцилометрію;
• кондуктометрію;
• електрогравіметрію;
• кулонометрію;
• амперометрію;
• діелкометрію;
• високочастотну кондуктометрію.

2. Спектральні. Включають у себе:

• оптичні;
• рентгенівську фотоелектронну спектроскопію;
• електромагнітний та ядерномагнітний резонанс.

3. Теплові. Поділяються на:

• термічні;
• термогравіметрію;
• калориметрію;
• ентальпіметрію;
• делатометрію.

4. Хроматографічні методи, які бувають:

• газові;
• осадові;
• гельпроникні;
• обмінні;
• рідинні.

Також можна розділити фізико-хімічні методи аналізу на великі групи. Перша - це ті, в результаті яких відбувається деструкція, тобто повне або часткове руйнування речовини або елемента. Друга – недеструктивні, що зберігають цілісність досліджуваного зразка.

Практичне застосування таких методів

Області використання цих способів роботи досить різноманітні, але всі вони, звичайно, так чи інакше, стосуються науки або техніки. У цілому нині можна навести кілька основних прикладів, у тому числі стане зрозуміло, навіщо саме потрібні подібні методи.

1. Контроль за перебігом складних технологічних процесів з виробництва. У цих випадках обладнання необхідне для безконтактного керування та відстеження всіх структурних ланок робочого ланцюжка. Ці ж прилади зафіксують неполадки та несправності та дадуть точний кількісний та якісний звіт про заходи усунення та попередження.
2. Проведення хімічних практичних робіт з метою якісного та кількісного визначення виходу продукту реакції.
3. Дослідження зразка речовини для встановлення його точного елементного складу.
4. Визначення кількості та якості домішок у загальній масі зразка.
5. Точний аналіз проміжних, основних та побічних учасників реакції.
6. Докладний звіт про будову речовини і властивості, що ним проявляються.
7. Відкриття нових елементів та отримання даних, що характеризують їх властивості.
8. Практичне підтвердження теоретичних даних, одержаних емпіричним шляхом.
9. Аналітична робота з речовинами високої чистоти, що застосовуються у різних галузях техніки.
10. Титрування розчинів без застосування індикаторів, що дає більш точний результат і має просте управління завдяки роботі апарату. Тобто вплив людського чинника зводиться нанівець.
11. Основні фізико-хімічні методи аналізу дозволяють вивчити склад:

• мінералів;
• корисних копалин;
• силікатів;
• метеоритів та сторонніх тіл;
• металів та неметалів;
• сплавів;
• органічних та неорганічних речовин;
• монокристалів;
• рідкісних та розсіяних елементів.

Області використання методів

• атомна енергетика;
• фізика;
• хімія;
• радіоелектроніка;
• лазерна техніка;
• космічні дослідження та інші.

Класифікація фізико-хімічних методів аналізу лише підтверджує, наскільки вони всеосяжні, точні та універсальні для застосування у дослідженнях.

Електрохімічні методи

Основа даних методів - це реакції у водних розчинах та на електродах під дією електричного струму, тобто, простіше кажучи, електроліз. Відповідно, вид енергії, який застосовується у даних способах аналізу – це потік електронів.

Дані способи мають свою класифікацію фізико-хімічних методів аналізу. До цієї групи належать такі види.

1. Електроваговий аналіз. За результатами електролізу з електродів знімається маса речовин, яка потім зважується та аналізується. Так одержують дані про масу сполук. Одним із різновидів подібних робіт є метод внутрішнього електролізу.
2. Полярографія. В основі – вимірювання сили струму. Саме цей показник буде прямо пропорційний концентрації шуканих іонів у розчині. Амперометричне титрування розчинів - це різновид розглянутого полярографічного методу.
3. Кулонометрія заснована на законі Фарадея. Вимірюється кількість витраченого на процес електрики, від якого потім переходять до розрахунку іонів у розчині.
4. Потенціометрія – заснована на вимірі електродних потенціалів учасників процесу.

Усі розглянуті процеси – це фізико-хімічні методи кількісного аналізу речовин. За допомогою електрохімічних методів дослідження розділяють суміші на складові компоненти, визначають кількість міді, свинцю, нікелю та інших металів.

Спектральні

В основі лежить процес електромагнітного випромінювання. Також є своя класифікація використовуваних методів.

1. Фотометрія полум'я. Для цього досліджувану речовину розпорошують у відкрите полум'я. Багато катіони металів дають фарбування певного кольору, тому таким чином можлива їхня ідентифікація. В основному це такі речовини, як: лужні та лужноземельні метали, мідь, галій, талій, індій, марганець, свинець і навіть фосфор.
2. Абсорбційна спектроскопія. Включає два види: спектрофотометрію і колориметрію. Основа - визначення спектра, що поглинається речовиною. Діє як у видимій, і у гарячої (інфрачервоної) частини випромінювання.
3. Турбідіметрія.
4. Нефелометрія.
5. Люмінесцентний аналіз.
6. Рефрактометрія та полярометрія.

Вочевидь, що це розглянуті методи у цій групі - це методи якісного аналізу речовини.

Емісійний аналіз

При цьому викликається випромінювання або поглинання електромагнітних хвиль. За цим показником можна будувати висновки про якісному складі речовини, тобто у тому, які саме елементи входять до складу зразка дослідження.

Хроматографічні

Фізико-хімічні дослідження найчастіше проводяться у різних середовищах. У цьому випадку дуже зручними та ефективними методами стають хроматографічні. Вони поділяються на такі види.

1. Адсорбційна рідинна. В основі різна здатність компонентів до адсорбції.
2. Газова хроматографія. Також заснована на адсорбційної здатності, тільки для газів та речовин у пароподібному стані. Використовується на масових виробництвах сполук у подібних агрегатних станах, коли продукт виходить у суміші, яку слід поділити.
3. Розподільча хроматографія.
4. Окисно-відновна.
5. Іонообмінна.
6. Паперовий.
7. Тонкошарова.
8. Осадова.
9. Адсорбційно-комплексоутворювальна.

Теплові

Фізико-хімічні дослідження мають на увазі також використання методів, що ґрунтуються на теплоті утворення або розпаду речовин. Такі методи також мають свою класифікацію.

1. Термічний аналіз
2. Термогравіметрія.
3. Калориметрія.
4. Ентальпометрія.
5. Дилатометрія.

Всі ці способи дозволяють визначати кількість теплоти, механічні властивості, ентальпії речовин. З цих показників відбувається кількісне визначення складу сполук.

Методи аналітичної хімії

Цей розділ хімії має свої особливості, адже головне завдання, яке стоїть перед аналітиками - якісне визначення складу речовини, їх ідентифікація та кількісний облік. У зв'язку з цим аналітичні методи аналізу поділяються на:

• хімічні;
• біологічні;
• фізико-хімічні.

Оскільки нас цікавлять саме останні, то розглянемо, які саме з них використовуються для визначення речовин.

Основні різновиди фізико-хімічних методів в аналітичній хімії

1. Спектроскопічні - ті самі, що були розглянуті вище.
2. Мас-спектральні - засновані на дії електричного та магнітного поля на вільні радикали, частинки чи іони. Лаборант фізико-хімічного аналізу забезпечують комбіноване вплив зазначених силових полів, і частинки поділяються на окремі іонні потоки за зарядом і масою.
3. Радіоактивні методи.
4. електрохімічні.
5. Біохімічні.
6. Термічні.

Що дозволяють дізнатися про речовини та молекули подібні способи обробки? По-перше, ізотопний склад. А також: продукти реакції, вміст тих чи інших частинок в особливо чистих речовинах, маси сполук, що шукаються, та інші корисні для науковців речі.

Таким чином, методи аналітичної хімії - це важливі способи отримання інформації про іони, частинки, сполуки, речовини та їх аналіз.

Аналітична хімія та хімічний аналіз

Хімічний аналіз

Хімічним аналізомназивають отримання інформації про склад та структуру речовин,незалежно від того, яким саме способом одержують таку інформацію .

Деякі способи (методи) аналізу засновані на проведенні хімічних реакцій зі спеціально доданими реагентами, в інших - хімічні реакції відіграють допоміжну роль, треті - зовсім не пов'язані з перебігом реакцій. Але результатом аналізу у будь-якому випадку є інформація про хімічномусклад речовини, тобто про природу і про кількісний вміст атомів і молекул, що входять до нього. Цю обставину наголошують, використовуючи прикметник «хімічний» у словосполученні «хімічний аналіз».

Значення аналізу.За допомогою хіміко-аналітичних методів були відкриті хімічні елементи, детально досліджено властивості елементів та їх сполук, визначено склад безлічі природних речовин. Численні аналізи дозволили встановити основні закони хімії (закон сталості складу, закон збереження маси речовин, закон еквівалентів та ін.), підтвердили атомно-молекулярне вчення. Аналіз став засобом наукового дослідження у хімії, а й у геології, в біології, у медицині та інших науках. Значну частину знань про природу, які накопичило людство з часів Бойля-воно отримало саме шляхом хімічного аналізу.

Можливості аналітиків різко зросли у другій половині XIX і особливо у XX столітті, коли було створено безліч фізичнихметодів аналізу Вони дозволяли вирішувати такі завдання, які вдавалося вирішити класичними методами. Яскравим прикладом можуть бути знання про склад Сонця та зірок, отримані ще наприкінці XIX століття методом спектрального аналізу. Так само яскравим прикладом на рубежі XX і XXI століть стало розшифрування будови одного з генів людини. В цьому випадку вихідна інформація була отримана методом мас-спектрометрії.

Аналітична хімія як наука

Наука «аналітична хімія» сформувалася в XVIII – XIX століттях. Існує безліч визначень («дефініцій») цієї науки . Найбільш коротким і очевидним є таке: “ Аналітична хімія – наука про визначення хімічного складу речовин ” .

Можна дати більш точне та розгорнуте визначення:

Аналітична хімія - наука, що розвиває загальну методологію, методи та засоби вивчення хімічного складу (а також структури) речовин та розробляє способи аналізу різних об'єктів.

Об'єкт та напрямки досліджень. Об'єктом дослідження аналітиків-практиків є конкретні хімічні речовини

Дослідження в галузі аналітичної хімії в Росії переважно ведуться в науково-дослідних інститутах та в університетах. Цілі цих досліджень:

• розвиток теоретичних засад різних методів аналізу;
• створення нових методів та методик, розробка аналітичних приладів та реагентів;
• вирішення конкретних аналітичних проблем, що мають велике економічне чи соціальне значення. Приклади таких проблем: створення способів аналітичного контролю для ядерної енергетики та для виробництва напівпровідникових приладів (ці завдання були успішно вирішені в 50-70-х роках ХХ століття); розробка надійних способів оцінки техногенного забруднення навколишнього середовища (це завдання вирішується в даний час).

1.2.Відіаналізу

Види аналізу дуже різноманітні. Їх можна класифікувати різними способами: за характером одержуваної інформації, за об'єктами аналізу та об'єктами визначення, за необхідною точністю та тривалістю одиничного аналізу, а також за іншими ознаками.

Класифікація за характером одержуваної інформації.Розрізняють якіснийі кількісний аналіз.В першому випадку з'ясовують, з чого складається дана речовина, які складові ( компоненти) входять до його складу. У другому випадку визначають кількісне зміст компонентів, виражаючи його як масової частки, концентрації, молярного співвідношення компонентів тощо.

Класифікація з об'єктів аналізу. Кожна галузь людської діяльності має традиційні об'єкти аналізу. Так, у промисловості досліджують сировину, готову продукцію, напівпродукти, відходи виробництва. Об'єктами агрохімічногоаналізу є ґрунти, добрива, корми, зерно та інша продукція сільського господарства. У медицині проводять клінічнийаналіз, його об'єкти - кров, сеча, шлунковий сік, різні тканини, повітря, що видихається, і багато іншого. Фахівці правоохоронних органів проводять криміналістичнийаналіз (аналіз друкарської фарби для виявлення підробок документів; аналіз наркотиків; аналіз уламків, знайдених на місці дорожньо-транспортної пригоди тощо). З урахуванням природи об'єктів, що досліджуються, виділяють і інші види аналізу, наприклад, аналіз лікарських препаратів ( фармацевтичнийаналіз), природних та стічних вод ( гідрохімічнийаналіз), аналіз нафтопродуктів, будматеріалів та ін.

Класифікація з об'єктів визначення.Не слід плутати схожі терміни аналізуватиі визначати.Це не синоніми! Так, якщо нас цікавить, чи є залізо в крові людини і яке її відсотковий вміст - то кров є об'єктом аналізу, а залізо - об'єктом визначення.Звичайно, і залізо може стати об'єктом аналізу – якщо визначати у шматку заліза домішки інших елементів. Об'єктами визначенняназивають компоненти досліджуваного матеріалу, кількісний зміст яких потрібно встановити. Об'єкти визначення не менш різноманітні, ніж об'єкти аналізу. З урахуванням природи визначається компонента виділяють різні види аналізу (табл.1.). Як видно з цієї таблиці, самі об'єкти виявлення або визначення (їх ще називають аналітами) належать до різних рівнів структурування матерії (ізотопи, атоми, іони, молекули, групи молекул спорідненої структури, фази).

Таблиця 1.

Класифікація видів аналізу за об'єктами визначення чи виявлення

Вигляд аналізу	Об'єкт визначення або виявлення (аналіт)	приклад	Галузь застосування
Ізотопний	Атоми із заданими значеннями заряду ядра і масового числа (ізотопи)	137 Cs , 90 Sr, 235 U	Атомна енергетика, контроль забруднення довкілля, медицина, археологія та ін.
Елементний	Атоми із заданими значеннями заряджень (елементи)	Cs, Sr ,U, Cr, Fe, Hg	Повсюдно
Речовий	Атоми (іони) елемента в даному ступені окислення або сполуки заданого складу (форма елемента)	З r (III), Fe 2+ , Hg у складі комплексних сполук	Хімічна технологія, контроль забруднення навколишнього середовища, геологія, металургія та ін.
Молекулярний	Молекули із заданим складом та структурою	Бензол, глюкоза, етанол	Медицина, контроль довкілля, агрохімія, хім. технологія, криміналістика.
Структурно-груповий або функціональний	Сума молекул із заданими структурними характеристиками та близькими властивостями	Граничні вуглеводні, моносахариди, спирти	Хімічна технологія, харчова промисловість, медицина.
Фазовий	Окрема фаза або елемент у складі даної фази	Графіт у сталі, кварц у граніті	Металургія, геологія, технологія будматеріалів.

В ході елементного аналізуідентифікують або кількісно визначають той чи інший елемент незалежно від його ступеня окислення або від входження до складу тих чи інших молекул. Повний елементний склад досліджуваного матеріалу визначають у поодиноких випадках. Зазвичай досить визначити деякі елементи, що істотно впливають на властивості об'єкта, що досліджується.

Речовийаналіз стали виділяти у самостійний вигляд нещодавно, раніше його розглядали як частину елементного. Мета речового аналізу - окремо визначити зміст різних формодного і того ж елемента. Наприклад, вміст хрому (III) і хрому (VI) у стічній воді. У нафтопродуктах роздільно визначають «сірку сульфатну», «сірку вільну» та «сірку сульфідну». Досліджуючи склад природних вод, з'ясовують, яка частина ртуті існує у вигляді міцних комплексних та елементоорганічних сполук, а яка у вигляді вільних іонів. Ці завдання набагато складніше, ніж завдання елементного аналізу.

Молекулярний аналізособливо важливий при дослідженні органічних речовин і матеріалів біогенного походження. Прикладом може бути визначення бензолу в бензині або ацетону в повітрі, що видихається. У разі необхідно враховувати як склад, а й структуру молекул. Адже в досліджуваному матеріалі можуть знаходитися ізомери та гомологи визначеного компонента. Так, вміст глюкози зазвичай доводиться визначати в присутності ізомерів та інших споріднених сполук, наприклад сахарози.

Класифікація за точністю, тривалістю та вартістю аналізів.Спрощений, швидкий та дешевий варіант аналізу називають експрес-аналізом. Тут часто застосовують тест-методи . Наприклад, будь-яка людина (не аналітик) може оцінити вміст нітратів в овочах (цукору в сечі, важких металів у питній воді тощо), скориставшись спеціальним тест-засобом - індикаторним папером. Зміст компонента визначається за допомогою шкали забарвлень, що додається до паперу. Результат буде видно «неозброєним оком» і зрозумілий фахівцю. Тест-методи не вимагають доставки проби в лабораторію будь-якої обробки досліджуваного матеріалу; у цих методах не застосовується дороге обладнання, не проводять розрахунків. Важливо лише, щоб результат тест-методу не залежав від присутності в досліджуваному матеріалі інших компонентів, а для цього треба, щоб реактиви, якими просочують папір при його виготовленні, були б специфічними. Забезпечити специфічність тест-методів дуже важко, і поширеним цей вид аналізу став лише останні роки ХХ століття. Звичайно, тест-методи не можуть забезпечити високої точності аналізу, але вона потрібна далеко не завжди.

Пряма протилежність експрес-аналізу - арбітражнийАналі з.Основна вимога щодо нього - забезпечити якомога більшу точність результатів. Арбітражні аналізи проводять рідко (наприклад, для вирішення конфлікту між виробником та споживачем деякої продукції). Для виконання таких аналізів залучають найбільш кваліфікованих виконавців, застосовують найнадійніші та багаторазово перевірені методики. Час виконання та вартість такого аналізу не мають принципового значення.

Проміжне місце між експресним та арбітражним аналізом за точністю, тривалістю, вартістю та іншими показниками займають рутинні аналізи. Основна частина аналізів, що виконуються у заводських та інших контрольно-аналітичних лабораторіях, відноситься саме до цього типу.

1.3.Методи аналізу

Класифікація методів. Поняття "метод аналізу" використовують, коли хочуть виявити суть того чи іншого аналізу, його основний принцип. Методом аналізу називають досить універсальний і теоретично обгрунтований спосіб проведення аналізу, що принципово відрізняється від інших способів за своїм призначенням та основним принципом, безвідносно до того, який компонент визначають і що саме аналізують. Один і той же метод можна використовувати для аналізу різних об'єктів і для визначення різних аналітів .

Існують три основні групи методів (рис.1). Одні з них націлені переважно на поділ компонентів досліджуваної суміші (наступний аналіз без цієї операції виявляється неточним або взагалі неможливим). У ході поділу зазвичай відбувається концентрування визначених компонентів (див. розділ 8). Прикладом можуть бути методи екстрагування або іонного обміну. Інші методи застосовують у ході якісного аналізу, вони служать для достовірного пізнання (ідентифікації) компонентів, що цікавлять нас. Треті, найбільш численні, призначені для кількісного визначення компонентів. Відповідні групи називають методами поділу та концентрування, методами ідентифікації методами визначення.Методи двох перших груп, як правило , відіграють допоміжну роль. Найбільше значення для практики мають методи визначення.

Фізико-хімічні

Рис.1. Класифікація методів аналізу

Крім трьох основних груп, існують гібридні методи. На рис.1. вони не показані. У гібридних методах поділ, ідентифікація та визначення компонентів органічно поєднуються в одному приладі (або в єдиному приладовому комплексі). Найважливішими з таких методів є хроматографічнийаналіз. У спеціальному приладі (хроматографі) компоненти досліджуваної проби (суміші) поділяються, оскільки вони з різною швидкістю рухаються крізь стовпчик, заповнений порошком твердої речовини (сорбенту). За часом виходу компонента з колонки судять про його природу і таким чином упізнають усі компоненти проби. Компоненти, що вийшли з колонки, по черзі потрапляють в іншу частину приладу, де спеціальний пристрій - детектор - вимірює і записує сигнали всіх компонентів. Нерідко відразу проводиться автоматичне віднесення сигналів тим чи іншим речовинам, і навіть розрахунок змісту кожного компонента проби. Зрозуміло, що хроматографічнийаналіз не можна вважати лише методом поділу компонентів, або лише методом кількісного визначення, це саме гібридний метод.

1.4. Методики аналізу та вимоги до них

Не слід плутати поняття методуі методики.

Методика - це чіткий і докладний опис того, як слід виконувати аналіз, застосовуючи деякий метод для вирішення конкретної аналітичної задачі.

Зазвичай методика розробляється фахівцями, проходить попередню перевірку та метрологічну атестацію, офіційно реєструється та затверджується. У назві методики вказують використовуваний метод, об'єкт визначення та об'єкт аналізу

Щоб підібрати оптимальну(найкращу) методику, у кожному разі треба враховувати низку практичних вимог.

1. Т очність. Це головна вимога. Воно означає, що відносна або абсолютна похибка аналізу не повинна перевищувати деякого граничного значення

2. Чутливість. Цим словом у розмовній мові замінюють більш строгі терміни "межа виявлення" та "нижня межа визначених концентрацій”. Високочутливі методики - це, якими ми можемо виявити і визначити компонент навіть за низькому його змісті в досліджуваному матеріалі. Чим нижчий очікуваний зміст, тим паче чутлива методика потрібна .

3. Селективність (виборчість).Важливо, щоб результат аналізу не впливали сторонні речовини, які входять до складу проби.

4. Експресність . Йдеться про тривалість аналізу однієї проби - від пробовідбору до видачі висновку. Чим швидше будуть отримані результати, тим краще.

5.С вартість.Ця характеристика методики не потребує коментарів. У масовому масштабі можна застосовувати лише відносно недорогі аналізи. Вартість аналітичного контролю у промисловості зазвичай не перевищує 1% вартості продукції. Дуже дорого коштують унікальні за своєю складністю і аналізи, що рідко виконуються.

Існують і інші вимоги до методики -безпека виконання аналізу, можливість проводити аналіз без безпосередньої участі людини,стійкість результатів до випадкових коливаньумов, і т.п.

1.5. Основні стадії (етапи) кількісного аналізу

Методику кількісного аналізу можна подумки розділити кілька послідовних стадій (етапів), причому практично будь-яка методика має одні й самі стадії. Відповідна логічна схема аналізу показана на рис.1.2.Основними етапами під час проведення кількісного аналізу є: постановка аналітичного завдання та вибір методики, пробовідбір пробопідготовка, Вимірювання сигналу, розрахунок та оформленнярезультатів.

Постановка аналітичного завдання та вибір методики. Робота спеціаліста-аналітика зазвичай починається з отримання замовленнядля проведення аналізу. До появи такого замовлення зазвичай призводить професійна діяльність інших фахівців, виникнення якоїсь проблеми. Такою проблемою може бути, наприклад, постановка діагнозу, з'ясування причини шлюбу під час виробництва деякої продукції, визначення справжності музейного експонату, можливість присутності деякої токсичної речовини у водопровідній воді тощо. На основі інформації, отриманої від спеціаліста (хіміка-органіка, інженера-технолога, геолога, лікаря-стоматолога, слідчого прокуратури, агронома, археолога тощо), аналітик має сформулювати аналітичне завдання. Звичайно, треба врахувати можливості та побажання «замовника». Крім того, треба зібрати додаткову інформацію (передусім про якісний склад матеріалу, який доведеться аналізувати).

Постановка аналітичного завдання вимагає дуже високої кваліфікації аналітика і є найважчою частиною подальшого дослідження. Недостатньо визначити, який матеріал доведеться аналізувати і що саме треба в ньому визначатиме. Треба зрозуміти, на якому концентраційному рівні доведеться вести аналіз, які сторонні компоненти будуть присутні в пробах, як часто треба буде проводити аналізи, скільки часу та коштів можна буде витратити на один аналіз, чи можна буде доставляти в лабораторію проби або доведеться виконувати аналіз безпосередньо. на об'єкті», чи не виникнуть обмеження щодо маси та відтворюваностівластивостідосліджуваного матеріалу і т.п. А найголовніше, треба зрозуміти: яку точність результатів аналізу треба буде забезпечити і яким чином можна буде досягти такої точності!

Чітко сформульована аналітична задача є основою вибору оптимальної методики. Пошук ведуть, користуючись збірниками нормативних документів (у т. ч. стандартних методик), довідниками, оглядами з окремих об'єктів чи методів. Наприклад, якщо збираються визначати фотометричним методом вміст нафтопродуктів у стічній воді, то переглядають монографії, присвячені, по-перше, фотометричним аналізом, по-друге, методам аналізу стічних вод, по-третє, різним способам визначення нафтопродуктів. Існують серії книг, кожна з яких присвячена аналітичній хімії будь-якого елемента. Випущено посібники з окремих методів та з окремих об'єктів аналізу. Якщо в довідниках і монографіях відповідних методик знайти не вдалося, пошук продовжують, користуючись реферативними та науковими журналами, пошуковими системами Інтернету, консультаціями фахівців тощо.

Нерідко для вирішення конкретної задачі не тільки не існує стандартних методик, але і взагалі немає раніше описаних технічних рішень (особливо складні аналітичні завдання, унікальні об'єкти). З такою ситуацією часто доводиться стикатися під час проведення наукових досліджень. У цих випадках доводиться розробляти методику аналізу самостійно. Але, виконуючи аналізи за власною методикою, слід особливо ретельно перевіряти правильність одержуваних результатів.

Вибір проби. Розробити метод аналізу, який дозволяв би вимірювати концентрацію цікавого для нас компонента безпосередньоу досліджуваному об'єкті вдається досить рідко. Прикладом може бути датчик вмісту вуглекислого газу в повітрі, який встановлюють у підводних човнах та інших замкнутих приміщеннях.Набагато частіше з досліджуваного матеріалу відбирають невелику частину пробу- І доставляють її для подальшого дослідження ваналітичну лабораторію. Проба має бути представницької(Репрезентативної), тобто її властивості і склад повинні приблизно збігатися з властивостями і складом досліджуваного матеріалу в цілому. Для газоподібних і рідких об'єктів аналізувати представницьку пробу досить легко, оскільки вони гомогенні. Треба лише правильно вибрати час та місце відбору. Наприклад, при відборі проб води з водойми враховують, що водоповерхневого шару відрізняється за своїм складом від води з придонного шару, вода поблизу берегів забруднена сильніше, складової води в різний час роки неоднакових і т.п. У великих містах проби атмосферного повітря відбирають з урахуванням напряму вітру та розміщення джерел викиду домішок. Пробовідбір не викликає проблем і в тому випадку, коли досліджуються чисті хімічні речовини, навіть тверді або однорідні дрібнодисперсні порошки.

Набагато важче правильно відібрати представницьку пробунеоднорідну тверду речовину (ґрунти, руди, вугілля, зерна тощо). Якщо взяти проби грунту в різних місцях одного і того ж поля, або з різної глибини, або в різний час – результати аналізу однотипних проб виявляться неоднаковими. Вони можуть відрізнятися у кілька разів, особливо якщо сам матеріал був неоднорідний, складався з часток різного складу та розміру.

Справа ускладнюється тим, що пробовідбір найчастіше проводить не сам аналітик, а недостатньо кваліфіковані працівники або, що набагато гірше, - особи, зацікавлені в отриманні певного результату аналізу. Так, в оповіданнях М. Твена і Брет Гарта барвисто описано, як перед продажем золотоносної ділянки продавець прагнув вибирати для аналізу шматочки породи з явними вкрапленнями золота, а покупець – порожню породу. Не дивно, що результати відповідних аналізів давали протилежну, але в обох випадках неправильну характеристику досліджуваної ділянки.

Для забезпечення правильності результатів аналізу для кожної групи об'єктів розроблено та прийнято спеціальні правила та схеми пробовідбору. Прикладом може бути аналіз ґрунту. У цьому випадку слід відбирати кількавеликих порцій досліджуваного матеріалу в різних місцях досліджуваної ділянки і потім об'єднувати їх. Заздалегідь розраховується, скільки має бути точок пробовідбору , на відстані один від одного повинні розташовуватися ці точки. Вказується, з якої глибини повинна бути взята кожна порція ґрунту, якою вона повинна бути маси, і т.п. Чим більша маса проби, тим вона більш представницька, тому для негомогенного матеріалу загальна маса об'єднаної проби може досягати десятків і навіть сотень кілограмів. Об'єднану пробу висушують, подрібнюють, ретельно перемішують і починають поступово зменшувати кількість досліджуваного матеріалу (для цієї мети існують спеціальні прийоми та пристрої). Але навіть після багаторазового зменшення маси проби може досягати декількох сотень грамів. Зменшену пробу в герметично закритій тарі доставляють до лабораторії. Там продовжують подрібнення і перемішування досліджуваного матеріалу (з метою усереднення складу), і лише потім беруть на аналітичних вагах навішення усередненої проби для проведення подальшої пробопідготовкита наступного вимірювання сигналу.

Пробовідбір - найважливіша стадія аналізу, оскільки помилки, що виникають у цій стадії, дуже важко виправити чи врахувати. Часто помилки пробовідбору роблять основний внесок у загальну похибку аналізу. При неправильному пробовідборі зможе допомогти навіть ідеальне виконання наступних операцій - отримати правильний результат не вдасться.

Пробопідготовка . Ця збірна назва всіх операцій, яким у лабораторії піддають доставлену туди пробу перед виміром аналітичного сигналу. В ході пробопідготовкипроводять різні операції: упарювання, висушування, прожарювання або спалювання проби, її розчинення у воді, кислотах або органічних розчинниках, попереднє окислення або відновлення обумовленого компонента спеціально додаються реагентами, видалення або маскування домішок, що заважають. Часто доводиться проводити концентрування обумовленого компонента - з проби великого об'єму компонент кількісно переводять у малий об'єм розчину (концентрат), де проводять потім вимір аналітичного сигналу. Близькі за властивостями компоненти проби в ході пробопідготовкинамагаються відокремити один від одного, щоб легше було визначити концентрацію кожного окремо. Пробопідготовкапотребує більшого часу та праці, ніж інші операції аналізу; її досить важко автоматизувати. Слід пам'ятати, що кожна операція пробопідготовки– це додаткове джерело похибок аналізу. Чим менше таких операцій, тим краще. Ідеальними є методики, які зовсім не включають стадію. пробопідготовки("Прийшов, виміряв, розрахував"), але таких методик порівняно небагато.

Вимірювання аналітичного сигналу вимагає використання відповідних засобів вимірювання, насамперед точних приладів (ваги, потенціометри, спектрометри, хроматографи тощо), а також попередньо прокаліброваного мірного посуду. Засоби вимірювань мають бути атестовані («повірені»), тобто має бути заздалегідь відомо, яку максимальну похибку може дати вимірювання сигналу за допомогою даного приладу. Крім приладів, для вимірювання сигналу у багатьох випадках потрібні зразки відомого хімічного складу (зразки порівняння, наприклад, державні стандартні зразки). За ними ведуть градуювання методики (див. гл.5), повіряють та налаштовують прилади. Результат аналізу також розраховують за допомогою стандартів.

Розрахунок та оформлення результатів - Найшвидша і найлегша стадія аналізу. Треба тільки вибрати відповідний спосіб розрахунку (за тією чи іншою формулою, за графіком тощо). Так, для визначення урану в урановій руді зіставляють радіоактивність проби з радіоактивністю стандартного зразка (руди з відомим вмістоммура), а потім вміст урану в пробі знаходять, вирішуючи звичайну пропорцію. Однак цей простий спосіб годиться не завжди, а застосування невідповідного розрахункового алгоритму може призвести до серйозних помилок. Деякі способи розрахунку дуже складні та вимагають застосування комп'ютера. У наступних розділах будуть детально охарактеризовані способи розрахунку, що застосовуються в різних методах аналізу, їх переваги, умови застосування кожного способу. Результати аналізу мають бути статистично опрацьовані. Усі дані, які стосуються аналізу цієї проби, відбивають у лабораторному журналі, а результат аналізу вносять у спеціальний протокол. Іноді сам аналітик зіставляє результати аналізу декількох речовин один з одним або з деякими нормативами робить змістовні висновки. Наприклад, про відповідність або невідповідність якості досліджуваного матеріалу встановленим вимогам ( аналітичний контроль).

Переважна більшість відомостей про речовини, їх властивості та хімічні перетворення отримано за допомогою хімічних або фізико-хімічних експериментів. Тому основним методом, що застосовується хіміками, слід вважати хімічний експеримент.

Традиції експериментальної хімії складалися століттями. Ще тоді, коли хімія не була точною наукою, у давні часи та в епоху середньовіччя, вчені та ремісники іноді випадково, а іноді й цілеспрямовано відкривали способи одержання та очищення багатьох речовин, що знаходили застосування у господарській діяльності: металів, кислот, лугів, барвників та т. д. Накопичення таких відомостей чимало сприяли алхіміки (див. Алхімія).

Завдяки цьому вже на початку ХІХ ст. хіміки добре володіли основами експериментального мистецтва, особливо методами очищення різноманітних рідин та твердих речовин, що дозволило їм зробити чимало найважливіших відкриттів. І все ж таки наукою в сучасному сенсі цього слова, точною наукою хімія почала ставати тільки в XIX ст., Коли був відкритий закон кратних відносин і розроблялося атомно-молекулярне вчення. З цього часу хімічний експеримент став включати не лише вивчення перетворень речовин і способів їх виділення, а й вимірювання різних кількісних характеристик.

Сучасний хімічний експеримент включає безліч різноманітних вимірів. Змінилися й устаткування для постановки дослідів та хімічний посуд. У сучасній лабораторії не зустрінеш саморобних реторт - на зміну їм прийшло стандартне скляне обладнання, яке виробляється промисловістю та пристосоване спеціально для виконання тієї чи іншої хімічної процедури. Стали стандартними та прийоми роботи, які в наш час вже не доводиться кожному хіміку винаходити заново. Опис найкращих із них, перевірених багаторічним досвідом, можна знайти у підручниках та посібниках.

Методи вивчення речовини стали більш універсальними, а й набагато різноманітнішими. Все більшу роль у роботі хіміка відіграють фізичні та фізико-хімічні методи дослідження, призначені для виділення та очищення сполук, а також для встановлення їх складу та будови.

Класична техніка очищення речовин вирізнялася надзвичайною трудомісткістю. Відомі випадки, коли хіміки витрачали виділення індивідуального з'єднання з суміші роки праці. Так, солі рідкісноземельних елементів вдавалося виділити у чистому вигляді лише після тисяч дробових кристалізацій. Але й після цього чистоту речовини які завжди можна було гарантувати.

Сучасні методи хроматографії дозволяють швидко відокремити речовину від домішок (препаративна хроматографія) та перевірити її хімічну індивідуальність (аналітична хроматографія). Крім того, для очищення речовин широко застосовуються класичні, але сильно вдосконалені прийоми перегонки, екстракції та кристалізації, а також такі ефективні сучасні методи як електрофорез, зонна плавка і т.д.

Завдання, яке постає перед хіміком-синтетиком після виділення чистої речовини, - встановити склад та будову його молекул - відноситься значною мірою до аналітичної хімії. За традиційної техніки роботи вона також була дуже трудомісткою. Практично як єдиний метод вимірювання застосовувався до цього елементний аналіз, який дозволяє встановити найпростішу формулу сполуки.

Для визначення істинної молекулярної, і навіть структурної формули нерідко доводилося вивчати реакції речовини з різними реагентами; виділяти в індивідуальному вигляді продукти цих реакцій, у свою чергу встановлюючи їхню будову. І так далі - поки на підставі цих перетворень будова невідомої речовини не ставала очевидною. Тому встановлення структурної формули складної органічної сполуки нерідко забирало дуже багато часу, причому повноцінною вважалася така робота, яка завершувалася зустрічним синтезом – отриманням нової речовини відповідно до встановленої для неї формули.

Цей класичний метод був надзвичайно корисним у розвиток хімії загалом. Нині він застосовується рідко. Як правило, виділена невідома речовина після елементного аналізу піддається дослідженню за допомогою мас-спектрометрії, спектрального аналізу у видимому, ультрафіолетовому та інфрачервоному діапазонах, а також ядерного магнітного резонансу. Для обґрунтованого виведення структурної формули потрібне застосування цілого комплексу методів, причому їх дані зазвичай доповнюють одна одну. Але в ряді випадків однозначного результату звичайні методи не дають, і доводиться вдаватися до прямих методів встановлення структури, наприклад рентгеноструктурного аналізу.

Фізико-хімічні методи знаходять застосування у синтетичної хімії. Не менше значення вони мають і щодо кінетики хімічних реакцій, і навіть їх механізмів. Основне завдання будь-якого досвіду з вивчення швидкості реакції - точне вимір змінюється в часі, і до того ж зазвичай дуже невеликий, концентрації речовини, що реагує. Для розв'язання цієї задачі в залежності від природи речовини можна використовувати і хроматографічні методи, і різні види спектрального аналізу та методи електрохімії (див. Аналітична хімія).

Досконалість техніки досягла такого високого рівня, що стало можливим точне визначення швидкості навіть «миттєвих», як вважалося раніше, реакцій, наприклад утворення молекул води з катіонів водню та аніонів. При початковій концентрації обох іонів, що дорівнює 1 моль/л, час цієї реакції становить кілька стомільярдних часток секунди.

Фізико-хімічні методи дослідження спеціально пристосовують і для виявлення короткожущих проміжних частинок, що утворюються в ході хімічних реакцій. Для цього прилади забезпечують або швидкодіючими пристроями, що реєструють, або приставками, що забезпечують роботу при дуже низьких температурах. Такими способами успішно фіксують спектри частинок, тривалість життя яких за звичайних умов вимірюється тисячними частками секунди, наприклад, вільних радикалів.

Окрім експериментальних методів у сучасній хімії широко застосовуються розрахунки. Так, термодинамічний розрахунок реагуючої суміші речовин дозволяє точно передбачити її рівноважний склад (див. хімічну рівновагу).

Розрахунки молекул на основі квантової механіки та квантової хімії стали загальновизнаними та у багатьох випадках незамінними. Ці методи спираються на складний математичний апарат і вимагають застосування найдосконаліших електронних обчислювальних машин - ЕОМ. Вони дозволяють створювати моделі електронної будови молекул, які пояснюють спостережувані, вимірні властивості малостійких молекул або проміжних частинок, що утворюються під час реакцій.

Методи дослідження речовин, розроблені хіміками та фізико-хіміками, приносять користь у хімії, а й у суміжних науках: фізиці, біології, геології. Без них не можуть обійтися ні промисловість, ні сільське господарство, ні медицина, ні криміналістика. Фізико-хімічні прилади займають почесне місце на космічних апаратах, за допомогою яких досліджуються навколоземний простір та сусідні планети.

Тому знання основ хімії необхідне кожній людині незалежно від її професії, а розвиток її методів - одне з найважливіших напрямів науково-технічної революції.