Методом анализа называют принципы, положенные в основу анализа вещества, то есть вид и природу энергии, вызывающей возмущение химических частиц вещества.
В основе анализа лежит зависимость между фиксируемым аналитическим сигналом от наличия или концентрации определяемого вещества.
Аналитический сигнал – это фиксируемое и измеряемое свойство объекта.
В аналитической химии методы анализа классифицируют по характеру определяемого свойства и по способу регистрации аналитического сигнала:
1.химические
2.физические
3.физико-химические
Физико-химические методы называют инструментальными или измерительными, так как они требуют применения приборов, измерительных инструментов.
Рассмотрим полную классификацию химических методов анализа.
Химические методы анализа - основаны на измерении энергии химической реакции.
В ходе реакции изменяются параметры, связанные с расходом исходных веществ или образованием продуктов реакции. Эти изменения можно либо наблюдать непосредственно (осадок, газ, цвет), либо измерять такие величины, как расход реагента, массу образующегося продукта, время реакции и т.д.
По цели проведения методы химического анализа подразделяют на две группы:
I.Качественный анализ – заключается в обнаружении отдельных элементов (или ионов), из которых состоит анализируемое вещество.
Методы качественного анализа классифицируются:
1. анализ катионов
2. анализ анионов
3. анализ сложных смесей.
II.Количественный анализ – заключается в определении количественного содержания отдельных составных частей сложного вещества.
Количественные химические методы классифицируют:
1. Гравиметрический (весовой) метод анализа основан на выделении определяемого вещества в чистом виде и его взвешивании.
Гравиметрические методы по способу получения продукта реакции делят:
а) химиогравиметрические методы основаны на измерении массы продукта химической реакции;
б) электрогравиметрические методы основаны на измерении массы продукта электрохимической реакции;
в) термогравиметрические методы основаны на измерении массы вещества, образующегося при термическом воздействии.
2. Волюмометрические методы анализа основаны на измерении объема реагента, израсходованного на взаимодействие с веществом.
Волюмометрические методы в зависимости от агрегатного состояния реагента делят на:
а) газоволюметрические методы, которые основаны на избирательном поглощении определяемого компонента газовой смеси и измерением объема смеси до и после поглощения;
б) ликвидоволюметрические (титриметрические или объёмные) методы основаны на измерении объема жидкого реагента, израсходованного на взаимодействие с определяемым веществом.
В зависимости от типа химической реакции выделяют методы объемного анализа:
· протолитометрия – метод, основанный на протекании реакции нейтрализации;
· редоксометрия – метод, основанный на протекании окислительно-восстановительных реакциях;
· комплексонометрия – метод, основанный на протекании реакции комплексообразования;
· методы осаждения – методы, основанные на протекании реакций образования осадков.
3. Кинетические методы анализа основаны на определении зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ.
Лекция № 2. Стадии аналитического процесса
Решение аналитической задачи осуществляется путем выполнения анализа вещества. По терминологии ИЮПАК анализом[‡] называют процедуру получения опытным путем данных о химическом составе вещества.
Независимо от выбранного метода проведение каждого анализа складывается из следующих стадий:
1) отбор пробы (пробоотбор);
2) подготовка пробы (пробоподготовка);
3) измерение (определение);
4) обработка и оценка результатов измерений.
Рис1. Схематическое изображение аналитического процесса.
Отбор проб
Проведение химического анализа начинают с отбора и подготовки пробы к анализу. Следует отметить, что все стадии анализа связаны между собой. Так, тщательно измеренный аналитический сигнал не дает правильной информации осодержании определяемого компонента, если неправильно проведен отбор или подготовка пробы к анализу. Погрешность при отборе пробы часто определяет общую точность определения компонента и делает бессмысленным использование высокоточных методов. В свою очередь отбор и подготовка пробы зависят не только от природы анализируемого объекта, но и от способа измерения аналитического сигнала. Приемы и порядок отбора пробы и ее подготовки настолько важны при проведении химического анализа, что обычно предписываются Государственным стандартом (ГОСТ).
Рассмотрим основные правила отбора проб:
· Результат может быть правильным только в том случае, если проба достаточно представительна , то есть точно отражает состав материала, из которого она была отобрана. Чем больше материала отобрано для пробы, тем она представительней. Однако с очень большой пробой трудно работать, это увеличивает время анализа и расходы на него. Таким образом, отбирать пробу нужно так, чтобы она была представительной и не очень большой.
· Оптимальная масса пробы обусловлена неоднородностью анализируемого объекта, размером частиц, с которых начинается неоднородность, и требованиями к точности анализа.
· Для обеспечения представительности пробы необходимо обеспечить однородность партии. Если сформировать однородную партию не удается, то следует использовать расслоение партии на однородные части.
· При отборе проб учитывают агрегатное состояние объекта.
· Должно выполняться условие по единообразию способов отбора проб: случайный отбор, периодический, шахматный, многоступенчатый отбор, отбор «вслепую», систематический отбор.
· Один из факторов, который нужно учитывать при выборе способа отбора пробы – возможность изменения состава объекта и содержания определяемого компонента во времени. Например, переменный состав воды в реке, изменение концентрации компонентов в пищевых продуктах и т.д.
Количественный анализ выражается последовательностью экспериментальных методов, определяющих в образце исследуемого материала содержание (концентрации) отдельных составляющих и примесей. Его задача - определить количественное соотношение химсоединений, ионов, элементов, составляющих образцы исследуемых веществ.
Качественный и количественный анализ являются разделами аналитической химии. В частности, последний решает различные вопросы современной науки и производства. Этой методикой определяют оптимальные условия проведения химико-технологических процессов, контролируют качество сырья, степень чистоты готовой продукции, в том числе и лекарственных препаратов, устанавливают содержание компонентов в смесях, связь между свойствами веществ.
Методы количественного анализа подразделяют на:
Базируется на применении различных видов реакций, количественно происходящих в растворах, газах, телах и т. д. Количественный химический анализ подразделяют на:
Химический количественный анализ веществ считается классическим. Это наиболее разработанный метод анализа, который продолжает развиваться. Он точен, прост в исполнении, не требует спецаппаратуры. Но применение его иногда сопряжено с некоторыми трудностями при исследовании сложных смесей и сравнительно небольшой чертой чувствительности.
Это количественный анализ, базирующийся на измерении величин физических параметров исследуемых веществ или растворов, которые являются функцией их количественного состава. Подразделяется на:
Физическим методам присущи экспрессность, низкий предел определения, объективность результатов, возможность автоматизации процесса. Но они не всегда специфичны, так как на физическую величину влияет не только концентрация исследуемого вещества, но и присутствие других веществ и примесей. Их применение часто требует использования сложной аппаратуры.
Задачи количественного анализа - измерение величин физических параметров исследуемой системы, которые появляются или изменяются в результате проведения химических реакций. Эти методы характеризуются низким пределом обнаружения и скоростью исполнения, требуют применения определенных приборов.
Это старейшая и наиболее разработанная технология количественного анализа. По сути, аналитическая химия началась с гравиметрии. Комплекс действий позволяет точно измерять массу определяемого компонента, отделенного от других компонентов проверяемой системы в постоянной форме химического элемента.
Гравиметрия является фармакопейным методом, который отличается высокой точностью и воспроизводимостью результатов, простотой исполнения, однако трудоемок. Включает приемы:
Количественный анализ осаждения основан на химической реакции определяемого компонента с реагентом-осадителем с образованием малорастворимого соединения, которое отделяют, затем промывают и прокаливают (высушивают). На финише выделенный компонент взвешивают.
Например, при гравиметрическом определении ионов Ва 2+ в растворах солей как осадитель используют серную кислоту. В результате реакции образуется белый кристаллический осадок BaSO 4 (осажденная форма). После прожарки этого осадка формируется так называемая гравиметрическая форма, полностью совпадающая с осажденной формой.
При определении ионов Са 2+ осадителем может быть оксалатная кислота. После аналитической обработки осадка осажденная форма (СаС 2 О 4) превращается в гравиметрическую форму (СаО). Таким образом, осажденная форма может как совпадать, так и отличаться от гравиметрической формы по химической формуле.
Аналитическая химия требует высокоточных измерений. В гравиметрическом методе анализа используют особо точные весы как основной прибор.
Осуществляя количественный анализ, определение массы вещества на технохимических или технических весах проводят следующим образом: исследуемый предмет помещают на левую чашу весов, а уравновешивающие грузики - на правую. Процесс взвешивания заканчивают при установлении стрелки весов в среднем положении.
В процессе взвешивания на аптечных весах центральное кольцо удерживают левой рукой, локтем опираясь на лабораторный стол. Затухание коромысла во время взвешивания может быть ускорено легким прикосновением дна чаши весов к поверхности стола.
Аналитические весы монтируют в отдельных отведенных лабораторных помещениях (весовых комнатах) на специальных монолитных полках-подставках. Для предотвращения влияния колебаний воздуха, пыли и влаги весы защищают специальными стеклянными футлярами. Во время работы с аналитическими весами следует придерживаться следующих требований и правил:
Гравиметрический качественный и количественный анализ включают следующие этапы:
При выборе осадителя - основы количественного анализа - учитывают возможное содержание анализируемого компонента в пробе. Для увеличения полноты удаления осадка используют умеренный избыток осадителя. Используемый осадитель должен обладать:
Среди неорганических осадителей наиболее распространены растворы: HCL; Н 2 SO 4 ; H 3 PO 4 ; NaOH; AgNO 3 ; BaCL 2 и другие. Среди органических осадителей предпочтение отдается растворам диацетилдиоксима, 8-гидроксихинолина, оксалатной кислоте и другим, образующим с ионами металлов внутрикомплексные устойчивые соединения, обладающие преимуществами:
Это важнейший этап характеристики количественного анализа. При получении осажденной формы необходимо минимизировать расходы за счет растворимости осадка в маточном растворе, уменьшить процессы адсорбции, окклюзии, соосаждения. Требуется получить достаточно крупные частицы осадка, не проходящие через фильтрационные поры.
Требования к осажденной форме:
Условия получения оптимального кристаллического осадка:
Условия получения оптимального аморфного осадка:
Методы количественного анализа включают такой важный этап, как фильтрация. Фильтрование и промывание осадков проводят, используя или стеклянные фильтры, или бумажные, не содержащие золы. Бумажные фильтры различны по плотности и размерам пор. Плотные фильтры маркируются голубой лентой, менее плотные - черной и красной. Диаметр бумажных фильтров, не содержащих золы, 6-11 см. Перед фильтрацией сливают прозрачный раствор, находящийся над осадком.
Количественный анализ может осуществляться методом электрогравиметрии. Исследуемый препарат удаляют (чаще всего из растворов) в процессе электролиза на одном из электродов. После окончания реакции электрод промывают, высушивают и взвешивают. По увеличению массы электрода определяют массу вещества, образовавшегося на электроде. Так анализируют сплав золота и меди. После отделения золота в растворе определяют ионы меди, скапливаемые на электроде.
Осуществляется измерением массы вещества во время его непрерывного нагрева в определенном интервале температур. Изменения фиксируются специальным устройством - дериватографом. Оно оборудовано термотерезами непрерывного взвешивания, электрической печью для нагрева исследуемого образца, термопарой для измерения температур, эталоном и самописцем непрерывного действия. Изменение массы образца автоматически фиксируется в виде термогравиграмы (дериватограмы) - кривой изменения массы, построенной в координатах:
Результаты количественного анализа должны быть точными, правильными и воспроизводимыми. С этой целью используют соответствующие аналитические реакции или физические свойства вещества, правильно выполняют все аналитические операции и применяют надежные способы измерения результатов анализа. Во время выполнения любого количественного определения обязательно должна проводиться оценка достоверности результатов.
В.Ф. Юстратова, Г.Н. Микилева, И.А. Мочалова
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Количественный химический анализ
Учебное пособие
Для студентов вузов
2-е издание, переработанное и дополненное
высшего профессионального образования для межвузовского использования
в качестве учебного пособия по аналитической химии для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 552400 «Технология продуктов питания», 655600 «Производство продуктов питания из растительного сырья»,
655900 «Технология сырья, продуктов животного происхождения»
и 655700 «Технология продовольственных продуктов
специального назначения и общественного питания»
Кемерово 2005
УДК 543.062 (07)
В.Ф. Юстратова, Г.Н. Микилева, И.А. Мочалова
Под редакцией В.Ф. Юстратовой
Рецензенты:
В.А. Невоструев , зав. кафедрой аналитической химии
Кемеровского государственного университета, д-р хим. наук, профессор;
А.И. Герасимова , доцент кафедры химии и технологии
неорганических веществ Кузбасского государственного технического
университета, канд. хим. наук
Кемеровского технологического института
пищевой промышленности
Юстратова В.Ф., Микилева Г.Н., Мочалова И.А.
Ю90 Аналитическая химия. Количественный химический анализ: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - / В.Ф. Юстратова, Г.Н. Микилева, И.А. Мочалова; Под ред. В.Ф. Юстратовой; Кемеровский технологический институт пищевой промышленности - Кемерово, 2005. - 160 с.
ISBN 5-89289-312-Х
Изложены основные понятия и разделы аналитической химии. Подробно рассмотрены все стадии количественного химического анализа от отбора пробы до получения результатов и способов их обработки. В пособие включена глава, посвященная инструментальным методам анализа, как наиболее перспективным. Указано использование каждого из описанных методов в технохимическом контроле пищевой промышленности.
Учебное пособие составлено в соответствии с государственными образовательными стандартами по направлениям «Технология продуктов питания», «Производство продуктов питания из растительного сырья и продуктов животного происхождения», «Технология продовольственных продуктов специального назначения и общественного питания». Содержит методические рекомендации студентам по конспектированию лекций и работе с учебником.
Предназначено для студентов всех форм обучения.
УДК 543.062 (07)
ББК 24.4 я 7
ISBN 5-89289-312-Х
© В.Ф. Юстратова, Г.Н. Микилева, И.А. Мочалова, 1994
© В.Ф. Юстратова, Г.Н. Микилева, И.А. Мочалова, 2005, дополнение
© КемТИПП, 1994
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие предназначено для студентов технологических специальностей вузов пищевого профиля. Издание второе, переработанное и дополненное. При переработке материала учтены советы и замечания заведующего кафедрой аналитической химии Воронежской государственной технологической академии, заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора химических наук, профессора Я.И. Коренмана. Авторы выражают ему огромную благодарность.
За прошедшие десять лет со времени опубликования первого издания появились новые учебники по аналитической химии, но ни один из них в полной мере не соответствует Государственным образовательным стандартам по направлениям «Технология продуктов питания», «Производство продуктов питания из растительного сырья», «Технология сырья и продуктов животного происхождения», «Технология продовольственных продуктов специального назначения и общественного питания».
В пособии материал изложен так, чтобы студент увидел «задание аналитической химии» в целом: от отбора пробы до получения результатов анализа, способов их обработки и аналитической метрологии. Дана краткая история развития аналитической химии, её роль в производстве продуктов питания; приведены основные понятия качественного и количественного химических анализов, способы выражения состава растворов и приготовления растворов, формулы расчета результатов анализа; теория методов титриметрического анализа: нейтрализации (кислотно-основного титрования), редоксиметрии (окислительно-восстановительного титрования), комплексонометрии, осаждения и гравиметрии. Указано применение каждого из них в пищевой промышленности. При рассмотрении титриметрических методов анализа предложена структурно-логическая схема, упрощающая их изучение.
При изложении материала учтена современная номенклатура химических соединений, современные общепринятые понятия и представления, для аргументации выводов использованы новые научные данные.
В пособие дополнительно включена глава, посвященная инструментальным методам анализа, как наиболее перспективным, и показаны современные тенденции развития аналитической химии.
По форме изложения текст пособия адаптирован для студентов I-II курсов, еще недостаточно владеющих навыками самостоятельной работы с учебной литературой.
Разделы 1, 2, 5 написаны В.Ф. Юстратовой, разделы 3, 6, 8, 9 - Г.Н. Микилевой, раздел 7 - И.А. Мочаловой, раздел 4 - Г.Н. Микилевой и И.А. Мочаловой.
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ КАК НАУКА
Аналитическая химия представляет собой один из разделов химии. Если давать наиболее полное определение аналитической химии как науки, то можно воспользоваться определением, предложенным академиком И.П. Алимариным.
«Аналитическая химия - это наука, развивающая теоретические основы анализа химического состава веществ, разрабатывающая методы идентификации и обнаружения, определения и разделения химических элементов, их соединений, а также методы установления химического строения соединений».
Это определение достаточно объемное и труднозапоминаемое. В вузовских учебниках приводятся более сжатые определения, смысл которых заключается в следующем.
Аналитическая химия - это наука о методах определения химического состава и структуры веществ (систем).
1.1. Из истории развития аналитической химии
Аналитическая химия - очень древняя наука.
Как только в обществе появились товары и материалы, важнейшими из которых были золото и серебро, появилась необходимость проверять их качество. Первой получившей распространение методикой анализа этих металлов было купелирование - испытание огнем. Эта количественная методика предусматривает взвешивание анализируемого вещества до и после нагрева. Упоминание об этой операции найдено в табличках из Вавилона, датированных 1375-1350 гг. до н.э.
Весы человечеству известны еще до времен античной цивилизации. Найденные гири для весов датируются 2600 г. до н.э.
Согласно общепринятой точке зрения, начальным рубежом, когда отдельные аналитические приемы оформились в научные методы, можно считать эпоху Возрождения.
Но термин «анализ» в современном понимании этого слова введен английским химиком Робертом Бойлем (1627-1691). Впервые он употребил этот термин в 1654 г.
Быстрое развитие аналитической химии началось с конца XVII в. в связи с появлением мануфактур, быстрого роста их числа. Это вызвало к жизни разнообразные проблемы, решить которые можно было только, используя аналитические методы. Сильно возросла потребность в металлах, в частности, в железе, что способствовало развитию аналитической химии минералов.
Химический анализ возведен в статус отдельной ветви науки - аналитическую химию - шведским ученым Торнберном Бергманом (1735-1784). Работы Бергмана можно считать первым учебником аналитической химии, в котором дается систематический обзор используемых в аналитической химии процессов, объединенных в соответствии с природой анализируемых веществ.
Первой из известных книг, полностью посвященных аналитической химии, является «Полная химическая пробирная палата», написанная Иоганом Гётлингом (1753-1809) и вышедшая в 1790 г. в Иене.
Огромное количество реагентов, применяемых для качественного анализа, систематизировано Генрихом Розе (1795-1864) в его книге «Руководство по аналитической химии». Отдельные главы этой книги посвящены некоторым элементам и известным реакциям этих элементов. Таким образом, Розе в 1824 г. первым описал реакции индивидуальных элементов и дал схему систематического анализа, сохранившуюся в основных чертах до наших дней (о систематическом анализе см. раздел 1.6.3).
В 1862 г. вышел первый номер «Журнала аналитической химии» - журнала, посвященного исключительно аналитической химии, который издается до наших дней. Журнал был основан Фрезениусом и вышел в Германии.
Основы весового (гравиметрического) анализа - самого старого и наиболее логичного метода количественного анализа - заложены Т. Бергманом.
Методы объемного анализа широко стали входить в аналитическую практику лишь в 1860 г. Описание этих методов появилось в учебниках. К этому времени были разработаны приборы (приспособления) для титрования и дано теоретическое обоснование этих методов.
К основным открытиям, позволившим сделать теоретическое обоснование объемных методов анализа, нужно отнести закон сохранения массы вещества, открытый М.В. Ломоносовым (1711-1765), периодический закон, открытый Д.И. Менделеевым (1834-1907), теорию электролитической диссоциации, разработанную С. Аррениусом (1859-1927).
Основы объемных методов анализа закладывались в течение почти двух столетий, и разработка их тесно связана с запросами практики, в первую очередь, проблемами беления тканей и производства поташа.
Многие годы ушли на разработку удобных, точных приборов, отработку операций градуировки мерной посуды, манипуляций при работе с точной посудой, способов фиксирования конца титрования.
Не удивительно, что даже в 1829 г. Берцелиус (1779-1848) считал, что объемные методы анализа могут быть допущены лишь для приблизительных оценок.
Впервые общепринятые теперь в химии термины «пипетка» (рис. 1) (от французского pipe - трубка, pipette - трубочки) и «бюретка» (рис. 2) (от французского burette - склянка) встречаются в публикации Ж.Л. Гей-Люссака (1778-1850), напечатанной в 1824 г. Здесь же он описал операцию титрования в таком виде, как это делается сейчас.
Рис. 1. Пипетки Рис. 2. Бюретки
1859 г. оказался для аналитической химии знаменательным. Именно в этом году Г. Кирхгоф (1824-1887) и Р. Бунзен (1811-1899) разработали спектральный анализ и превратили его в практический метод аналитической химии. Спектральный анализ был первым из инструментальных методов анализа, положившим начало их бурному развитию. Подробнее об этих методах анализа см. раздел 8.
В конце XIX в., в 1894 г., немецкий физико-химик В.Ф. Оствальд опубликовал книгу о теоретических основах аналитической химии, основополагающей теорией в которой являлась теория электролитической диссоциации, на которой до сих пор базируются химические методы анализа.
Начавшийся ХХ в. (1903 г.) ознаменовался открытием русского ботаника и биохимика М.С. Цвета явления хроматографии, явившегося базой для развития разных вариантов хроматографического метода, развитие которого продолжается до сих пор.
В ХХ в. аналитическая химия развивалась достаточно успешно. Шло развитие как химических, так и инструментальных методов анализа. Развитие инструментальных методов происходило за счет создания уникальных приборов, позволяющих фиксировать индивидуальные свойства анализируемых компонентов.
Русские ученые внесли большой вклад в развитие аналитической химии. Следует, прежде всего, назвать имена Н.А. Тананаева, И.П. Алимарина, А.К. Бабко, Ю.А. Золотова и многих других.
Развитие аналитической химии всегда происходило с учетом двух факторов: развивающаяся промышленность формировала проблему, требующую решения, с одной стороны; с другой - открытия науки приспосабливались к решению задач аналитической химии.
Эта тенденция сохраняется и поныне. В анализе широко используются компьютеры, лазеры, появляются новые методы анализа, внедряются автоматизация и математизация, создаются приемы и средства локального нераз-рушающего, дистанционного, непрерывного анализа.
1.2. Общие задачи аналитической химии
Общие задачи аналитической химии:
1. Развитие теории химических и физико-химических методов анализа, научное обоснование, разработка и совершенствование приемов и методов исследования.
2. Разработка методов разделения веществ и методов концентрирования микропримесей.
3. Совершенствование и разработка методов анализа природных веществ, окружающей среды, технических материалов и т.д.
4. Обеспечение химико-аналитического контроля в процессе проведения разнообразных научно-исследовательских работ в области химии и смежных областях науки, промышленности и техники.
5. Поддержание химико-технологических и физико-химических процессов производства на заданном оптимальном уровне на основе систематического химико-аналитического контроля всех звеньев промышленного производства.
6. Создание методов автоматического контроля технологических процессов, сочетающихся с системами управления на основе использования электронных вычислительных, регистрирующих, сигнализирующих, блокирующих и управляющих машин, приборов и аппаратов.
Из изложенного видно, что возможности аналитической химии широки. Это позволяет использовать ее для решения самых различных практических задач, в том числе в пищевой промышленности.
1.3. Роль аналитической химии в пищевой промышленности
Методы аналитической химии позволяют решать в пищевой промышленности следующие задачи:
1. Определять качество сырья.
2. Контролировать процесс производства продуктов питания на всех его стадиях.
3. Контролировать качество выпускаемой продукции.
4. Анализировать отходы производства с целью их утилизации (дальнейшего использования).
5. Определять в сырье и пищевых продуктах вещества токсичные (вредные) для организма человека.
1.4. Метод анализа
Аналитическая химия изучает методы анализа, различные аспекты их разработки и применения. Согласно рекомендациям авторитетной международной химической организации ИЮПАК*, методом анализа называют принципы, положенные в основу анализа вещества, т.е. вид и природу энергии, вызывающей возмущение химических частиц вещества. Принцип анализа определяется в свою очередь явлениями природы, на которых основаны химические или физические процессы.
В учебной литературе по химии определение метода анализа, как правило, не дается. Но поскольку оно является достаточно важным, то его необходимо сформулировать. На наш взгляд, наиболее приемлемым определением можно считать следующее:
Метод анализа - это сумма правил и приемов выполнения анализа, позволяющих определить химический состав и структуру веществ (систем).
1.5. Классификация методов анализа
В аналитической химии существует несколько видов классификации методов анализа.
1.5.1. Классификация, основанная на химических и физических свойствах анализируемых веществ (систем)
В рамках этой классификации рассматривают следующие группы методов анализа:
1. Химические методы анализа.
К этой группе методов анализа относятся такие, в которых результаты анализа основываются на химической реакции, протекающей между веществами. По окончании реакции фиксируют объем одного из участников реакции или массу одного из продуктов реакции. Затем рассчитывают результаты анализа.
2. Физические методы анализа.
Физические методы анализа основаны на измерении физических свойств анализируемых веществ. Наиболее широко эти методы фиксируют оптические, магнитные, электрические, тепловые свойства.
3. Физико-химические методы анализа.
Они основаны на измерении какого-либо физического свойства (параметра) анализируемой системы, изменяющегося под влиянием протекающей в ней химической реакции.
* ИЮПАК - Международный союз теоретической и прикладной химии. Членами этой организации являются научные учреждения многих стран. Российская Академия Наук (как преемница АН СССР) состоит в ней с 1930 г.
В современной химии физические и физико-химические методы анализа называют инструментальными методами анализа. «Инструментальный» означает, что провести этот метод анализа можно только с применением «инструмента» - прибора, способного регистрировать и оценивать физические свойства (подробно см. раздел 8).
4. Методы разделения.
При анализе сложных смесей (а это большинство природных объектов и пищевых продуктов) бывает необходимо отделить определяемый компонент от мешающих компонентов.
Иногда в анализируемом растворе определяемого компонента намного меньше, чем можно определить выбранным методом анализа. В этом случае перед определением таких компонентов необходимо проводить их концентрирование.
Концентрирование - это операция, после проведения которой концентрация определяемого компонента может увеличиться от n до 10 n раз.
Операции разделения и концентрирования часто совмещаются. На стадии концентрирования в анализируемой системе может отчетливо проявиться какое-то свойство, фиксирование которого позволит решить вопрос о количестве анализируемого вещества в смеси. Метод анализа может начинаться с операции разделения, иногда он включает и концентрирование.
1.5.2. Классификация, основанная на массе вещества или объеме
раствора, взятых для анализа
Классификация, демонстрирующая возможности современных методов анализа представлена в табл. 1. Она основана на массе веществ или объеме раствора, взятых для анализа.
Таблица 1
Классификация методов анализа в зависимости от массы вещества
или объема раствора, взятых для анализа
1.6. Качественный анализ
Анализ вещества можно проводить с целью установления качественного или количественного его состава. В соответствии с этим различают качественный и количественный анализы.
Задачей качественного анализа является установление химического состава анализируемого объекта.
Анализируемый объект может быть индивидуальным веществом (простым или очень сложным, например, хлеб), а также смесью веществ. В составе объекта могут интересовать разные его составляющие. Можно определять, из каких ионов, элементов, молекул, фаз, групп атомов состоит анализируемый объект. В продуктах питания чаще всего определяют ионы, простые или сложные вещества, которые являются либо полезными (Ca 2+ , NaCl, жир, белок и др.), либо вредными для организма человека (Cu 2+ , Pb 2+ , пестициды и др.). Это можно осуществлять двумя способами: идентификацией и обнаружением .
Идентификация - установление идентичности (тождества) исследуемого химического соединения с известным веществом (эталоном) путем сравнения их физических и химических свойств.
Для этого предварительно изучают определенные свойства заданных эталонных соединений, присутствие которых предполагают в анализируемом объекте. Например, проводят химические реакции с катионами или анионами (эти ионы являются эталонами) при исследовании неорганических веществ либо измеряют физические константы эталонных органических веществ. Затем выполняют те же испытания с исследуемым соединением и сопоставляют полученные результаты.
Обнаружение - проверка присутствия в анализируемом объекте тех или иных основных компонентов, примесей и др.
Качественный химический анализ большей частью основывается на превращении анализируемого вещества в какое-нибудь новое соединение, обладающее характерными свойствами: цветом, определенным физическим состоянием, кристаллической или аморфной структурой, специфическим запахом и т.д. Эти характерные свойства называют аналитическими признаками.
Химическую реакцию, при проведении которой проявляются аналитические признаки, называют качественной аналитической реакцией.
Вещества, применяемые для проведения аналитических реакций, называют реактивами или реагентами.
Качественные аналитические реакции и, соответственно, реактивы, используемые в них, в зависимости от области применения делят на групповые (общие), характерные и специфические.
Групповые реакции позволяют выделить из сложной смеси веществ под воздействием группового реагента целые группы ионов, имеющие одинаковый аналитический признак. Например, к групповым реагентам относится карбонат аммония (NH 4) 2 CO 3 , так как с ионами Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ он образует белые нерастворимые в воде карбонаты.
Характерными называют такие реакции, в которых участвуют реактивы, взаимодействующие с одним или небольшим числом ионов. Аналитический признак в этих реакциях, чаще всего, выражен характерным цветом. Например, диметилглиоксим - характерный реактив на ион Ni 2+ (осадок розового цвета) и на ион Fe 2+ (растворимое в воде соединение красного цвета).
Наиболее важными в качественном анализе являются специфические реакции. Специфической реакцией на данный ион называется такая реакция, которая позволяет обнаружить его в условиях опыта в смеси с другими ионами. Такой реакцией является, например, реакция обнаружения иона , про-текающая под действием щелочи при нагревании:
Выделяющийся аммиак можно определить по специфическому, легко узнаваемому запаху и другим свойствам.
1.6.1. Марки реактивов
В зависимости от конкретной области применения реактивов к ним предъявляется ряд требований. Одним из них является требование о количестве примесей.
Количество примесей в химических реактивах регламентируется специальной технической документацией: государственными стандартами (ГОСТ), техническими условиями (ТУ) и др. Состав примесей может быть различным, и он, как правило, указывается на заводской этикетке реактива.
Химические реактивы классифицируют по степени чистоты. В зависимости от массовой доли примесей реактиву присваивают марку. Некоторые марки реактивов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Марки реактивов
Обычно в практике химического анализа используют реактивы, отвечающие квалификации «ч.д.а» и «х.ч.». Чистота реактивов указывается на этикетке заводской упаковки реактива. В некоторых областях промышленности вводят свои дополнительные квалификации реактивов по чистоте.
1.6.2. Способы выполнения аналитических реакций
Аналитические реакции можно выполнять «мокрым» и «сухим» способами. При выполнении реакции «мокрым» путем взаимодействие анализируемого вещества и соответствующих реагентов происходит в растворе. Для осуществления ее исследуемое вещество должно быть предварительно растворено. Растворителем обычно служит вода или, если вещество в воде нерастворимо, другой растворитель. Реакции «мокрым» путем происходят между простыми или сложными ионами, поэтому, применяя их, обнаруживаются именно эти ионы.
«Сухой» способ выполнения реакций означает, что исследуемое вещество и реагенты берут в твердом состоянии и реакцию между ними осуществляют, нагревая их до высокой температуры.
Примерами реакций, выполняемых «сухим» путем, являются реакции окрашивания пламени солями некоторых металлов, образования окрашенных перлов (стекол) тетрабората натрия (буры) 
или гидрофосфата натрия и аммония при сплавлении их с солями некоторых металлов, а также сплавление исследуемого твердого вещества с «плавнями», например: смесями твердых Na 2 CO 3 и К 2 СО 3 , или Na 2 CO 3 и KNO 3 .
К реакциям, выполняемым «сухим» путем, относится также реакция, происходящая при растирании исследуемого твердого вещества с каким-либо твердым реагентом, в результате которой смесь приобретает окраску.
1.6.3. Систематический анализ
Качественный анализ объекта можно проводить двумя разными методами.
Систематический анализ - это метод проведения качественного анализа по схеме, когда последовательность выполнения операций добавления реактивов строго определена.
1.6.4. Дробный анализ
Метод анализа, основанный на применении реакций, при помощи которых можно в любой последовательности обнаружить искомые ионы в отдельных порциях исходного раствора, т.е. не прибегая к определенной схеме обнаружения ионов, называют дробным анализом.
1.7. Количественный анализ
Задачей количественного анализа является определение содержания (массы или концентрации) того или иного компонента в анализируемом объекте.
Важными понятиями количественного анализа являются понятия «определяемое вещество» и «рабочее вещество».
1.7.1. Определяемое вещество. Рабочее вещество
Химический элемент, ион, простое или сложное вещество, содержание которого определяют в данном образце анализируемого продукта, принято называть «определяемым веществом» (О.В.).
Вещество, с помощью которого это определение проводят, называют рабочим веществом (Р.В.).
1.7.2. Способы выражения состава раствора, используемые в аналитической химии
1. Наиболее удобным способом выражения состава раствора является концентрация. Концентрация - это физическая величина (размерная или безразмерная), определяющая количественный состав раствора, смеси или расплава. При рассмотрении количественного состава раствора, чаще всего, имеют в виду отношение количества растворенного вещества к объему раствора.
Самой распространенной является молярная концентрация эквивалентов. Символ ее, записанный, например, для серной кислоты - С экв (H 2 SO 4), единица измерения - моль/дм 3 .
В литературе встречаются и другие обозначения этой концентрации. Например, С(1/2H 2 SO 4). Дробь, стоящая перед формулой серной кислоты, означает, какая часть молекулы (или иона) является эквивалентом. Ее называют фактором эквивалентности, обозначают f экв. Для H 2 SO 4 f экв = 1/2. Фактор эквивалентности рассчитывают на основе стехиометрии реакции. Число, показывающее, сколько эквивалентов содержится в молекуле, называют числом эквивалентности и обозначают Z*. f экв = 1/Z*, поэтому молярную концентрацию эквивалентов обозначают и таким образом: C(1/Z*H 2 SO 4).
2. В условиях аналитических лабораторий, когда приходится длительное время выполнять серии единичных анализов с использованием одной расчетной формулы, часто пользуются поправочным коэффициентом, или поправкой К.
Чаще всего поправка относится к рабочему веществу. Коэффициент показывает, во сколько раз концентрация приготовленного раствора рабочего вещества отличается от концентрации, выраженной округленными числами (0,1; 0,2; 0,5; 0,01; 0,02; 0,05), одно из которых может быть в расчетной формуле:
К записывают в виде чисел, имеющих четыре знака после запятой. Из записи: К=1,2100 к С экв (HCl)=0,0200 моль/дм 3 следует, что С экв (HCl) = 0,0200 моль/дм 3 - это стандартная молярная концентрация эквивалентов HCl, тогда истинная рассчитывается по формуле:
3. Титр - это масса вещества, содержащегося в 1см 3 объема раствора.
Титр чаще всего относится к раствору рабочего вещества.
Единица измерения титра - г/см 3 , титр рассчитывают с точностью до шестого знака после запятой. Зная титр рабочего вещества, можно рассчитать молярную концентрацию эквивалентов его раствора.
(4)
4. Титр рабочего вещества по определяемому веществу - это масса определяемого вещества, эквивалентная массе рабочего вещества, содержащегося в 1см 3 раствора.
5. Массовая доля растворенного вещества равна отношению массы растворенного вещества А к массе раствора:
6. Объемная доля растворенного вещества равна отношению объема растворенного вещества А к общему объему раствора:
Массовая и объемная доли - величины безразмерные. Но чаще всего выражения для расчета массовой и объемной долей записывают в виде:
; (9)
. (10)
В этом случае единицей измерения w и j является процент.
Следует обратить внимание на следующие обстоятельства:
1. При выполнении анализа концентрация рабочего вещества должна быть точной и выражаться числом, содержащим четыре знака после запятой, если концентрация молярная эквивалентов; или числом, содержащим шесть знаков после запятой, если это - титр.
2. Во всех расчетных формулах, принятых в аналитической химии, единицей измерения объема является см 3 . Поскольку посуда, применяемая в анализе для измерения объемов, позволяет измерить объем с точностью до 0,01см 3 , то именно с такой точностью следует записывать числа, выражающие объемы участвующих в анализе растворов определяемых и рабочих веществ.
1.7.3. Способы приготовления растворов
Прежде, чем приступить к приготовлению раствора, следует ответить на следующие вопросы.
1. Для какой цели готовят раствор (для использования в качестве р.в., для создания определенного значения рН среды и т.д.)?
2. В каком виде наиболее целесообразно выразить концентрацию раствора (в виде молярной концентрации эквивалентов, массовой доли, титра и т.д.)?
3. С какой точностью, т.е. до какого знака после запятой должно быть определено число, выражающее выбранную концентрацию?
4. Какой объем раствора нужно приготовить?
5. Исходя из природы вещества (жидкое или твердое, стандартное или нестандартное), какой способ приготовления раствора нужно использовать?
Раствор можно приготовить следующими способами:
1. По точной навеске.
Если вещество , из которого нужно приготовить раствор, является стандартным , т.е. отвечает определенным (ниже перечисленным) требованиям, то раствор можно приготовить по точной навеске. Это означает, что массу навески рассчитывают и отмеряют на аналитических весах с точностью до четвертого знака после запятой.
Требования к стандартным веществам следующие:
а) вещество должно иметь кристаллическую структуру и отвечать определенной химической формуле;
в) вещество должно быть устойчивым при хранении в твердом виде и в растворе;
г) желательна большая молярная масса эквивалента вещества.
2. Из фиксанала.
Разновидностью способа приготовления раствора по точной навеске является способ приготовления раствора из фиксанала. Роль точной навески выполняет точное количество вещества, находящегося в стеклянной ампуле. Следует иметь в виду, что вещество в ампуле может быть стандартным (см. п.1) и нестандартным. Это обстоятельство влияет на способы и длительность хранения приготовленных из фиксаналов растворов нестандартных веществ.
ФИКСАНАЛ (стандарт-титр, норма-доза) - это запаянная ампула, в которой находится в сухом виде или в виде раствора 0,1000, 0,0500 или другое количество молей эквивалентов вещества.
Для приготовления требуемого раствора ампулу разбивают над воронкой, снабженной специальным пробивным устройством (бойком). Содержимое ее количественно переносят в мерную колбу необходимой вместимости и доводят объем дистиллированной водой до кольцевой метки.
Раствор, приготовленный по точной навеске или из фиксанала называют титрованным, стандартным или стандартным раствором I , т.к. концентрация его после приготовления получается точной. Записывают ее в виде числа с четырьмя знаками после запятой, если это молярная концентрация эквивалентов, и с шестью знаками после запятой, если это - титр.
3. По приблизительной навеске.
Если вещество, из которого нужно приготовить раствор, не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к стандартным веществам, и нет подходящего фиксанала, то раствор готовят по приблизительной навеске.
Рассчитывают массу вещества, которую нужно взять для приготовления раствора с учетом его концентрации и объема. Эту массу взвешивают на технических весах с точностью до второго знака после запятой, растворяют в мерной колбе. Получают раствор с приблизительной концентрацией.
4. Путем разбавления более концентрированного раствора.
Если вещество выпускается промышленностью в виде концентрированного раствора (понятно, что оно является нестандартным), то приготовить его раствор с меньшей концентрацией можно только путем разбавления концентрированного раствора. Готовя раствор этим способом, следует помнить, что масса растворенного вещества должна быть одинаковой как в объеме приготовленного раствора, так и в части концентрированного раствора, взятого для разбавления. Зная концентрацию и объем раствора, который нужно приготовить, рассчитывают объем концентрированного раствора, который нужно отмерить, с учетом его массовой доли и плотности. Отмеряют объем мерным цилиндром, переливают в мерную колбу, доводят дистиллированной водой до метки, перемешивают. Раствор, приготовленный таким способом, имеет приблизительную концентрацию.
Точную концентрацию растворов, приготовленных по приблизительной навеске и путем разбавления концентрированного раствора, устанавливают, проводя гравиметрический или титриметрический анализ, поэтому растворы, приготовленные этими способами, после того, как определены их точные концентрации, называют растворами с установленным титром , стандартизированными растворами или стандартными растворами II .
1.7.4. Формулы, применяемые для расчета массы вещества, необходимой для приготовления раствора
Если раствор с заданной молярной концентрацией эквивалентов или титром готовят из сухого вещества А, то расчет массы вещества, которую необходимо взять для приготовления раствора, производят по следующим формулам:
; (11)
. (12)
Примечание. Единица измерения объема - см 3 .
Расчет массы вещества производят с такой точностью, которая определяется способом приготовления раствора.
Расчетные формулы, используемые при приготовлении растворов способом разбавления, определяются видом концентрации, которую необходимо получить, и видом концентрации, которую нужно разбавить.
1.7.5. Схема анализа
Главное требование к анализу заключается в том, чтобы полученные результаты соответствовали истинному содержанию компонентов. Результаты анализа будут удовлетворять этому требованию только в том случае, если все операции анализа выполнены правильно, в определенной последовательности.
1. Первым этапом в любом аналитическом определении является отбор пробы для анализа. Отбирают, как правило, среднюю пробу.
Средняя проба - это часть анализируемого объекта, небольшая по сравнению со всей его массой, средний состав и свойства которой идентичны (оди-наковы) во всех отношениях его среднему составу.
Методы отбора проб различных видов продукции (исходного сырья, полуфабрикатов, готовых продуктов разных отраслей) сильно отличаются друг от друга. При отборе проб руководствуются правилами, подробно описываемыми в технических руководствах, ГОСТах и специальных инструкциях, посвященных анализу этого вида продукции.
В зависимости от вида продукции и вида анализа проба может быть взята в виде определенного объема или определенной массы.
Отбор пробы - это очень ответственная и важная подготовительная операция анализа. Неправильно отобранная проба может совершенно исказить результаты, и в этом случае вообще бессмысленно выполнять дальнейшие операции анализа.
2. Подготовка пробы к анализу. Пробу, взятую для анализа, не всегда готовят каким-то специальным способом. Например, при определении влажности муки, хлеба и хлебобулочных изделий арбитражным методом определенную пробу каждого продукта взвешивают и ставят в сушильный шкаф. Чаще всего анализу подвергают растворы, полученные при соответствующей обработке пробы. В таком случае задача подготовки пробы к анализу сводится к следующему. Пробу подвергают такой обработке, при которой количество анализируемого компонента сохраняется, и он полностью переходит в раствор. При этом бывает необходимо устранить посторонние вещества, которые могут находиться в анализируемой пробе наряду с определяемым компонентом.
Подготовка пробы к анализу так же, как и отбор пробы, описываются в нормативной и технической документации, согласно которой производят анализы сырья, полуфабрикатов и готовых изделий. Из химических операций, которые входят в процедуру подготовки пробы к анализу, можно назвать одну, часто применяемую при подготовке проб сырья, полуфабрикатов, готовой продукции в пищевой промышленности, - это операция озоления.
Озоление - это процесс превращения какого-либо продукта (материала) в золу. Озолением готовят пробу при определении, например, ионов металлов. Пробу сжигают при определенных условиях. Оставшуюся золу растворяют в подходящем растворителе. Получают раствор, который подвергают анализу.
3. Получение аналитических данных. На подготовленную пробу в ходе анализа оказывают воздействие веществом-реактивом или каким-либо видом энергии. Это приводит к появлению аналитических сигналов (изменение окраски, появление нового излучения и др.). Появившийся сигнал можно: а) регистрировать; б) считать моментом, когда необходимо измерить определенный параметр в анализируемой системе, например, объем рабочего вещества.
4. Обработка аналитических данных.
А) Полученные первичные аналитические данные используют для расчета результатов анализа.
Способы преобразования аналитических данных в результаты анализа могут быть разными.
1. Расчетный метод. Этот метод применяют очень часто, например, в количественном химическом анализе. Закончив анализ, получают объем рабочего вещества, затраченный на реакцию с определяемым веществом. Затем этот объем подставляют в соответствующую формулу и рассчитывают результат анализа - массу или концентрацию определяемого вещества.
2. Метод калибровочного (градуировочного) графика.
3. Метод сравнения.
4. Метод добавок.
5. Дифференциальный метод.
Эти способы обработки аналитических данных используют в инструментальных методах анализа, при изучении которых будет возможность подробно с ними познакомиться.
Б) Полученные результаты анализа должны быть обработаны по правилам математической статистики, о которых речь идет в разделе 1.8.
5. Определение социально-экономического значения результата анализа. Эта стадия заключительная. Выполнив анализ и получив результат, необходимо установить соответствие между качеством продукции и требованиями нормативной документации на него.
1.7.6. Метод и методика анализа
Для того, чтобы от теории любого метода аналитической химии можно было перейти к конкретному способу выполнения анализа, важно различать понятия «метод анализа» и «методика анализа».
Когда речь идет о методе анализа, то это значит, что рассматриваются правила, следуя которым можно получить аналитические данные и их интерпретировать (см. раздел 1.4).
Методика анализа - это подробное описание всех операций выполнения анализа, включая взятие и подготовку проб (с указанием концентраций всех исследуемых растворов).
При практическом применении каждого метода анализа разрабатывается множество методик анализа. Они отличаются природой анализируемых объектов, способом взятия и подготовки проб, условиями проведения отдельных операций анализа и т.д.
Например, в лабораторном практикуме по количественному анализу, в числе прочих, выполняются лабораторные работы «Перманганатометрическое определение Fe 2+ в растворе соли Мора», «Иодометрическое определение Cu 2+ », «Дихроматометрическое определение Fe 2+ ». Методики их выполнения совершенно разные, но основаны они на одном и том же методе анализа «Редоксиметрия».
1.7.7. Аналитические характеристики методов анализа
Для того, чтобы методы или методики анализа можно было сравнивать или оценивать между собой, что играет важную роль при их выборе, каждый метод и методика имеют свои аналитические и метрологические характеристики. К аналитическим характеристикам относятся следующие: коэффициент чувствительности (предел обнаружения), селективность, продолжительность, производительность.
Предел обнаружения (С мин.,р) - это наименьшее содержание, при котором по данной методике можно обнаружить присутствие определяемого компонента с заданной доверительной вероятностью. Доверительная вероятность - Р - это доля случаев, в которых среднеарифметическое результата при данном числе определений будет находиться в определенных пределах.
В аналитической химии, как правило, пользуются доверительной вероятностью Р = 0,95 (95 %).
Другими словами, Р - это вероятность появления случайной ошибки. Она показывает, какое число опытов из 100 дает результаты, которые считаются правильными в пределах заданной точности анализа. При Р = 0,95 - 95 из 100.
Селективность анализа характеризует возможность определения данного компонента в присутствии посторонних веществ.
Универсальность - возможность обнаруживать многие компоненты из одной пробы одновременно.
Продолжительность анализа - время, затрачиваемое на его выполнение.
Производительность анализа - число параллельных проб, которые можно подвергнуть анализу за единицу времени.
1.7.8. Метрологические характеристики методов анализа
Оценивая методы или методики анализа с точки зрения науки об измерениях - метрологии - отмечают следующие характеристики: интервал определяемых содержаний, правильность (точность), воспроизводимость, сходимость.
Интервал определяемых содержаний - это предусмотренная данной методикой область, в которой находятся значения определяемых количеств компонентов. При этом принято отмечать также нижнюю границу определяемых содержаний (С н) - наименьшее значение определяемого содержания, ограничивающее интервал определяемых содержаний.
Правильность (точность) анализа - это близость полученных результатов к истинному значению определяемой величины.
Воспроизводимость и сходимость результатов анализа определяются разбросом повторных результатов анализа и обуславливаются наличием случайных погрешностей.
Сходимость характеризует рассеяние результатов при фиксированных условиях выполнения эксперимента, а воспроизводимость - при меняющихся условиях выполнения эксперимента.
Все аналитические и метрологические характеристики метода или методики анализа сообщаются в их инструкциях.
Метрологические характеристики получают, обрабатывая результаты, полученные в серии повторных анализов. Формулы для их расчета приведены в разделе 1.8.2. Они аналогичны формулам, по которым производится статическая обработка результатов анализа.
1.8. Погрешности (ошибки) в анализе
С какой бы тщательностью ни проводилось то или иное количественное определение, полученный результат, как правило, несколько отличается от действительного содержания определяемого компонента, т.е. результат анализа всегда получается с некоторой неточностью - погрешностью.
Погрешности измерений классифицируют как систематические (определенные), случайные (неопределенные) и грубые или промахи.
Систематические погрешности - это погрешности, постоянные по значению или изменяющиеся по определенному закону. Они могут быть методическими, зависящими от особенности применяемого метода анализа. Они могут зависеть от применяемых приборов и реактивов, от неправильного или недостаточно тщательного выполнения аналитических операций, от индивидуальных особенностей человека, выполняющего анализ. Систематические погрешности трудно заметить, так как они постоянны и появляются при повторном определении. Чтобы избежать погрешностей такого рода, надо устранить их источник либо ввести соответствующую поправку в результат измерения.
Случайными погрешностями называют неопределенные по величине и знаку ошибки, в появлении каждой из которых не наблюдается какой-либо закономерности.
Случайные погрешности происходят при всяком измерении, и в том числе при любом аналитическом определении, как бы тщательно оно не проводилось. Наличие их сказывается в том, что повторные определения того или иного компонента в данном образце, выполненные одним и тем же методом, дают, как правило, несколько различающиеся между собой результаты.
В отличие от систематических погрешностей случайные не могут быть учтены или устранены введением каких-либо поправок. Однако они могут быть значительно уменьшены при увеличении числа параллельных определений. Влияние случайных погрешностей на результат анализа может быть учтено тео-ретически, путем обработки результатов, полученных в серии параллельных определений данного компонента, с помощью методов математической статистики.
Наличие грубых погрешностей или промахов проявляется в том, что среди сравнительно близких результатов наблюдается одно или несколько значений, заметно выделяющихся по величине из общего ряда. Если отличие настолько велико, что можно говорить о грубой ошибке, то это измерение сразу отбрасывают. Однако в большинстве случаев нельзя сразу признать тот иной результат неверным только по признаку «выскакивания» из общего ряда, и поэтому необходимо провести дополнительные исследования.
Бывают варианты, когда дополнительные исследования проводить нет смысла, и в то же время нежелательно использовать неверные данные для расчета общего результата анализа. В таком случае наличие грубых погрешностей или промахов устанавливают согласно критериям математической статистики.
Таких критериев известно несколько. Самым простым из них является Q-критерий.
1.8.1. Определение наличия грубых погрешностей (промахов)
В химическом анализе содержание компонента в пробе устанавливают, как правило, по небольшому числу параллельных определений (n £ 3). Для расчета погрешностей определений в этом случае пользуются методами матема-тической статистики, разработанными для малого числа определений. Результа-ты этого малого числа определений рассматривают как случайно выбранные - выборку - из всех мыслимых в данных условиях результатов генеральной совокупности.
При малых выборках с числом измерений n<10 определение грубых погрешностей можно оценивать при помощи размаха варьирования по Q-кри-терию . Для этого составляют соотношение:
, (13)
где Х 1 - подозрительно выделяющийся результат анализа;
Х 2 - результат единичного определения, ближайший по значению к Х 1 ;
R - размах варьирования - разница между наибольшим и наименьшим зна- чением ряда измерений, т.е. R = Х макс. - Х мин.
Вычисленное значение Q сопоставляют с табличным значением Q (р, f). Наличие грубой погрешности доказано, если Q > Q (р, f).
Результат, признанный грубой погрешностью, из дальнейшего рассмотрения исключается.
Q-критерий - не единственный показатель, по значению которого можно судить о наличии грубой погрешности, но он рассчитывается быстрее других, т.к. позволяет сразу исключить грубые ошибки, не выполняя других расчетов.
Два других критерия более точные, но требуют полного расчета ошибки, т.е. о наличии грубой ошибки можно сказать, только выполнив полностью математическую обработку результатов анализа.
Грубые ошибки также можно определить:
А) По стандартному отклонению. Результат X i признают грубой ошибкой и отбрасывают, если
. (14)
Б) Точности прямого измерения. Результат X i отбрасывают, если
. (15)
О величинах, обозначенных знаками 
, речь идет в разделе 1.8.2.
1.8.2. Статистическая обработка результатов анализа
Статистическая обработка результатов преследует две основные задачи.
Первая задача заключается в том, чтобы представить результат определений в компактной форме.
Вторая задача - оценить надежность полученных результатов, т.е. степень их соответствия истинному содержанию определяемого компонента в образце. Эта задача решается путем расчета воспроизводимости и точности анализа по формулам, приведенным ниже.
Как уже было отмечено, воспроизводимость характеризует разброс повторных результатов анализа и обуславливается наличием случайных погрешностей. Воспроизводимость анализа оценивается значениями стандартного отклонения, относительного стандартного отклонения, дисперсии.
Общая характеристика рассеяния данных определяется величиной стандартного отклонения S.
Иногда при оценке воспроизводимости анализа определяют относительное стандартное отклонение Sr.
Стандартное отклонение имеет ту же единицу измерения, что и среднее , или истинное значение m определяемой величины.
Метод или методика анализа тем лучше воспроизводимы, чем меньше для них значения абсолютного (S) и относительного (Sr) отклонения.
Рассеяние данных анализа относительно среднего значения рассчитывают как дисперсию S 2 .
(18)
В представленных формулах: Xi - отдельное значение величины, полученное при выполнении анализа; - среднеарифметическое из результатов, полученных при всех измерениях; n - количество измерений; i = 1…n.
Правильность или точность анализа характеризуют доверительным интервалом среднего значения р, f . Это область, внутри которой при отсутствии систематических погрешностей находится истинное значение измеряемой величины с доверительной вероятностью Р.
, (19)
где р, f - доверительный интервал, т.е. доверительные границы, в пределах которых может заключаться значение определяемой величины Х.
В этой формуле t р, f - коэффициент Стьюдента; f - число степеней свободы; f = n – 1; Р - доверительная вероятность (см. 1.7.7); t р, f - данное табличное.
Стандартное отклонение среднеарифметического. (20)
Доверительный интервал рассчитывают либо в виде абсолютной погрешности в тех же единицах, в которых выражается результат анализа, либо в виде относительной погрешности DХ о (в %):
Следовательно, результат анализа может быть представлен в виде:
. (23)
Обработка результатов анализа значительно упрощается, если при выполнении анализов (контрольных проб, или стандартных образцов) известно истинное содержание (m) определяемого компонента. Вычисляют абсолютную (DХ) и относительную (DХ о, %) погрешности.
DХ = Х - m (24)
1.8.3. Сравнение двух средних результатов анализа, выполненного
разными методами
На практике бывают ситуации, когда объект необходимо анализировать разными методами, в разных лабораториях, разными аналитиками. В этих случаях получаются средние результаты, отличающиеся друг от друга. Оба результата характеризуют некоторое приближение к истинному значению искомой величины. Для того, чтобы выяснить, можно ли доверять обоим результатам, определяют, является ли разница между ними статистически значимой, т.е. «слишком» большой. Средние значения искомой величины считаются совместимыми, если они относятся к одной генеральной совокупности. Решить это можно, например, по критерию Фишера (F-критерию).
где - дисперсии, рассчитанные для разных серий анализов.
F экс - всегда больше единицы, т.к. он равен отношению большей дисперсии к меньшей. Вычисленное значение F экс сравнивают с табличным значением F табл. (доверительная вероятность Р и число степеней свободы f для экспериментальных и табличных значений должны быть одинаковыми).
При сравнении F экс и F табл возможны варианты.
А) F экс >F табл. Расхождение между дисперсиями значимо и рассматриваемые выборки отличаются по воспроизводимости.
Б) Если F экс значительно меньше F табл, то различие в воспроизводимости имеет случайный характер и обе дисперсии являются приближенными оценками одной и той же общей для обеих выборок дисперсии генеральной совокупности.
Если расхождение между дисперсиями незначительно, можно выяснить, есть ли статистически значимая разница в средних результатах анализа, полученных разными способами. Для этого используют коэффициент Стьюдента t р, f . Рассчитывают средневзвешенное стандартное отклонение и t экс.
; (27)
где - средние результаты сравниваемых выборок;
n 1 , n 2 - число измерений в первой и второй выборках.
Сравнивают t экс с t табл при числе степеней свободы f = n 1 +n 2 -2.
Если при этом t экс > t табл, то расхождение между значимо, выборки не принадлежат одной генеральной совокупности и истинные значения в каждой выборке разные. Если t экс < t табл, можно все данные рассматривать как единую выборочную совокупность для (n 1 +n 2) результатов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что изучает аналитическая химия?
2. Что такое метод анализа?
3. Какие группы методов анализа рассматривает аналитическая химия?
4. Какими методами можно выполнять качественный анализ?
5. Что такое аналитические признаки? Какими они могут быть?
6. Что такое реактив?
7. Какие реактивы необходимы для выполнения систематического анализа?
8. Что такое дробный анализ? Какие реактивы необходимы для его выполнения?
9. Что означают буквы «х.ч.», «ч.д.а.» на этикетке химического реактива?
10.Какова задача количественного анализа?
11.Что такое рабочее вещество?
12.Какими способами можно приготовить раствор рабочего вещества?
13.Что такое стандартное вещество?
14.Что означают понятия «стандартный раствор I», «стандартный раствор II»?
15.Что такое титр и титр рабочего вещества по определяемому?
16.Как кратко обозначают молярную концентрацию эквивалентов?
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ
4.3. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.8. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Химический анализ служит средством контроля производства и качества продукции в ряде отраслей народного хозяйства. На результатах анализа в различной степени базируется разведка полезных ископаемых. Анализ – главное средство контроля за загрязненностью окружающей среды. Выяснение химического состава почв, удобрений, кормов и сельскохозяйственной продукции важно для нормально функционирования агропромышленного комплекса. Химический анализ незаменим в медицинской диагностике, биотехнологии. От уровня химического анализа, оснащенности лаборатории методами, приборами и реактивами зависит развитие многих наук.
Научная основа химического анализа – аналитическая химия, наука, которая в течение столетий была частью, а иногда и основной частью химии.
Аналитическая химия – это наука об определении химического состава веществ и отчасти их химического строения. Методы аналитической химии позволяют отвечать на вопросы о том, из чего состоит вещество, какие компоненты входят в его состав. Эти методы часто дают возможность узнать, в какой форме данный компонент присутствует в веществе, например установить степень окисления элемента. Иногда возможно оценить пространственное расположение компонентов.
При разработке методов часто приходится заимствовать идеи из смежных областей науки и приспосабливать их к своим целям. В задачу аналитической химии входит разработка теоретических основ методов, установление границ их применимости, оценка метрологических и других характеристик, создание методик анализа различных объектов.
Методы и средства анализа постоянно изменяются: привлекаются новые подходы, используются новые принципы, явления, часто из далеких областей знания.
Под методом анализа понимают достаточно универсальный и теоретически обоснованный способ определения состава безотносительно к определяемому компоненту и к анализируемому объекту. Когда говорят о методе анализа, имеют в виду принцип, положенный в основу, количественное выражение связи между составом и каким-либо измеряемым свойством; отобранные приемы осуществления, включая выявление и устранение помех; устройства для практической реализации и способы обработки результатов измерений. Методика анализа – это подробное описание анализа данного объекта с использованием выбранного метода.
Можно выделить три функции аналитической химии как области знания:
1. решение общих вопросов анализа,
2. разработка аналитических методов,
3. решение конкретных задач анализа.
Так же можно выделить качественный и количественный анализы. Первый решает вопрос о том, какие компоненты включает анализируемый объект, второй дает сведения о количественном содержании всех или отдельных компонентов.
Все существующие методы аналитической химии можно разделить на методы пробоотбора, разложения проб, разделения компонентов, обнаружения (идентификации) и определения. Существуют гибридные методы, сочетающие разделение и определение. Методы обнаружения и определения имеют много общего.
Наибольшее значение имеют методы определения. Их можно классифицировать по характеру измеряемого свойства или способу регистрации соответствующего сигнала. Методы определения делятся на химические , физические и биологические . Химические методы базируются на химических (в том числе электрохимических) реакциях. Сюда можно отнести и методы, называемые физико-химическими. Физические методы основаны на физических явлениях и процессах, биологические – на явлении жизни.
Основные требования к методам аналитической химии: правильность и хорошая воспроизводимости результатов, низкий предел обнаружения нужных компонентов, избирательность, экспрессность, простота анализа, возможность его автоматизации.
Выбирая метод анализа, необходимо четко знать цель анализа, задачи, которые нужно при этом решить, оценить достоинства и недостатки доступных методов анализа.
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ
После отбора и подготовки пробы наступает стадия химического анализа, на которой и проводят обнаружение компонента или определение его количества. С этой целью измеряют аналитический сигнал . В большинстве методов аналитическим сигналом является среднее из измерений физической величины на заключительной стадии анализа, функционально связанной с содержанием определяемого компонента.
В случае необходимости обнаружения какого-либо компонента обычно фиксируют появление аналитического сигнала – появление осадка, окраски, линии в спектре и т.д. Появление аналитического сигнала должно быть надежно зафиксировано. При определении количества компонента измеряется величина аналитического сигнала – масса осадка, сила тока, интенсивность линии спектра и т.д.
4. МЕТОДЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
4.1. МЕТОДЫ МАСКИРОВАНИЯ, РАЗДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ
Маскирование.
Маскирование – это торможение или полное подавление химической реакции в присутствии веществ, способных изменить ее направление или скорость. При этом не происходит образование новой фазы. Различают два вида маскирование – термодинамическое (равновесное) и кинетическое (неравновесное). При термодинамическом маскировании создаются условия, при которых условная константа реакции понижается до такой степени, что реакция идет незначительно. Концентрация маскируемого компонента становится недостаточной для того, что бы надежно зафиксировать аналитический сигнал. Кинетическое маскирование основано на увеличении разницы между скоростями реакции маскируемого и определяемого веществ с одним и тем же реагентом.
Разделение и концентрирование.
Необходимость разделения и концентрирования может быть обусловлена следующими факторами: проба содержит компоненты, мешающие определению; концентрация определяемого компонента ниже предела обнаружения метода; определяемые компоненты неравномерно распределены в пробе; отсутствуют стандартные образцы для градуировки приборов; проба высокотоксична, радиоактивна и дорога.
Разделение – это операция (процесс), в результате которой компоненты, составляющие исходную смесь, отделяются один от другого.
Концентрирование - это операция (процесс), в результате которой повышается отношение концентрации или количества микрокомпонентов к концентрации или количеству макрокомпонента.
Осаждение и соосаждение.
Осаждение, как правило, применяют для разделения неорганических веществ. Осаждение микрокомпонентов органическими реагентами, и особенно их соосаждение, обеспечивают высокий коэффициент концентрирования. Эти методы используют в комбинации с такими методами определения, которые рассчитаны на получение аналитического сигнала от твердых образцов.
Разделение путем осаждения основано на различной растворимости соединений, преимущественно в водных растворах.
Соосаждение – это распределение микрокомпонента между раствором и осадком.
Экстракция.
Экстракция – это физико-химический процесс распределения вещества между двумя фазами, чаще всего между двумя несмешивающимися жидкостями. Так же это процесс массопереноса с химическими реакциями.
Экстракционные методы пригодны для концентрирования, извлечения микрокомпонентов или макрокомпонентов, индивидуального и группового выделения компонентов при анализе разнообразных промышленных и природных объектов. Метод прост и быстр в выполнении, обеспечивает высокую эффективность разделения и концентрирования и совместим с разными методами определения. Экстракция позволяет изучать состояние веществ в растворе при различных условиях, определять физико-химические характеристики.
Сорбция.
Сорбцию хорошо используют для разделения и концентрирования веществ. Сорбционные методы обычно обеспечивают хорошую селективность разделения, высокие значения коэффициентов концентрирования.
Сорбция – процесс поглощения газов, паров и растворенных веществ твердыми или жидкими поглотителями на твердом носителе (сорбентами).
Электролитическое выделение и цементация.
Наиболее распространен метод электоровыделения, при котором отделяемое или концентрированное вещество выделяют на твердых электродах в элементарном состоянии или в виде какого-то соединения. Электролитическое выделение (электролиз) основано на осаждении вещества электрическим током при контролируемом потенциале. Наиболее распространен вариант катодного осаждения металлов. Материалом электродов может служить углерод, платина, серебро, медь вольфрам и т.д.
Электрофорез основан на различиях в скоростях движения частиц разного заряда, формы и размера в электрическом поле. Скорость движения зависит от заряда, напряженности поля и радиуса частиц. Различают два варианта электрофореза: фронтальный (простой) и зонный (на носителе). В первом случае небольшой объем раствора, содержащего разделяемые компоненты, помещают в трубку с раствором электролита. Во втором случае передвижение происходит в стабилизирующей среде, которая удерживает частицы на местах после отключения электрического поля.
Метод цементации заключается в восстановлении компонентов (обычно малых количеств) на металлах с достаточно отрицательными потенциалами или альмагамах электроотрицательных металлов. При цементации происходит одновременно два процесса: катодный (выделение компонента) и анодный (растворение цементирующего металла).
Методы испарения.
Методы дистилляции основаны на разной летучести веществ. Вещество переходит из жидкого состояния в газообразное, а затем конденсируется, образуя снова жидкую или иногда твердую фазу.
Простая отгонка (выпаривание) – одноступенчатый процесс разделения и концентрирования. При выпаривании удаляются вещества, которые находятся в форме готовых летучих соединений. Это могут быть макрокомпоненты и микрокомпоненты, отгонку последних применяют реже.
Возгонка (сублимация) - перевод вещества из твердого состояния в газообразное и последующее осаждение его в твердой форме (минуя жидкую фазу). К разделению возгонкой прибегают, как правило, если разделяемые компоненты трудно плавятся или трудно растворимы.
Управляемая кристаллизация.
При охлаждении раствора, расплава или газа происходит образование зародышей твердой фазы – кристаллизация, которая может быть неуправляемой (объемной) и управляемой. При неуправляемой кристаллизации кристаллы возникают самопроизвольно во всем объеме. При управляемой кристаллизации процесс задается внешними условиями (температура, направление движения фаз и т.п.).
Различают два вида управляемой кристаллизации: направленную кристаллизацию (в заданном направлении) и зонную плавку (перемещение зоны жидкости в твердом теле в определенном направлении).
При направленной кристаллизации возникает одна граница раздела между твердым телом и жидкостью – фронт кристаллизации. В зонной плавке две границы: фронт кристаллизации и фронт плавления.
4.2. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Хроматография – наиболее часто используемый аналитический метод. Новейшими хроматографическими методами можно определять газообразные, жидкие и твердые вещества с молекулярной массой от единиц до 10 6 . Это могут быть изотопы водорода, ионы металлов, синтетические полимеры, белки и др. С помощью хроматографии получена обширная информация о строении и свойствах органических соединений многих классов.
Хроматография – это физико-химический метод разделения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной. Неподвижной фазой (стационарной) обычно служит твердое вещество (его часто называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу.
Метод позволяет разделять многокомпонентную смесь, идентифицировать компоненты и определять ее количественный состав.
Хроматографические методы классифицируют по следующим признакам:
а) по агрегатному состоянию смеси, в котором производят ее разделение на компоненты – газовая, жидкостная и газожидкостная хроматография;
б) по механизму разделения – адсорбционная, распределительная, ионообменная, осадочная, окислительно-восстановительная, адсорбционно - комплексообразовательная хроматография;
в) по форме проведения хроматографического процесса – колоночная, капиллярная, плоскостная (бумажная, тонкослойная и мембранная).
4.3. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
В основе химических методов обнаружения и определения лежат химические реакции трех типов: кислотно-основные, окислительно-восстановительные и комплексообразования. Иногда они сопровождаются изменением агрегатного состояния компонентов. Наибольшее значение среди химических методов имеют гравиметрический и титриметрический. Эти аналитические методы называются классическими. Критериями пригодности химической реакции как основы аналитического метода в большинстве случаев являются полнота протекания и большая скорость.
Гравиметрические методы.
Гравиметрический анализ заключается в выделении вещества в чистом виде и его взвешивании. Чаще всего такое выделение проводят осаждением. Реже определяемый компонент выделяют в виде летучего соединения (методы отгонки). В ряде случаев гравиметрия – лучший способ решения аналитической задачи. Это абсолютный (эталонный) метод.
Недостатком гравиметрический методов является длительность определения, особенно при серийных анализах большого числа проб, а так же неселективность – реагенты-осадители за небольшим исключением редко бывают специфичны. Поэтому часто необходимы предварительные разделения.
Аналитическим сигналов в гравиметрии является масса.
Титриметрические методы.
Титриметрическим методом количественного химического анализа называют метод, основанный на измерении количества реагента В, затраченного на реакцию с определяемым компонентом А. Практически удобнее всего прибавлять реагент в виде его раствора точно известной концентрации. В таком варианте титрованием называют процесс непрерывного добавления контролируемого количества раствора реагента точно известной концентрации (титрана) к раствору определяемого компонента.
В титриметрии используют три способа титрования: прямое, обратное и титрование заместителя.
Прямое титрование – это титрование раствора определяемого вещества А непосредственно раствором титрана В. Его применяют в том случае, если реакция между А и В протекает быстро.
Обратное титрование заключается в добавлении к определяемому веществу А избытка точно известного количества стандартного раствора В и после завершения реакции между ними, титровании оставшегося количества В раствором титрана В’. Этот способ применяют в тех случаях, когда реакция между А и В протекает недостаточно быстро, либо нет подходящего индикатора для фиксирования точки эквивалентности реакции.
Титрование по заместителю заключается в титровании титрантом В не определяемого количества вещества А, а эквивалентного ему количества заместителя А’, получающегося в результате предварительно проведенной реакции между определяемым веществом А и каким-либо реагентом. Такой способ титрования применяют обычно в тех случаях, когда невозможно провести прямое титрование.
Кинетические методы.
Кинетические методы основаны на использовании зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ, а в случае каталитических реакций и от концентрации катализатора. Аналитическим сигналом в кинетических методах является скорость процесса или пропорциональная ей величина.
Реакция, положенная в основу кинетического метода, называется индикаторной. Вещество, по изменению концентрации которого судят о скорости индикаторного процесса, - индикаторным.
Биохимические методы.
Среди современных методов химического анализа важное место занимают биохимические методы. К биохимическим методам относят методы, основанные на использовании процессов, происходящих с участием биологических компонентов (ферментов, антител и т.п.). Аналитическим сигналом при этом чаще всего являются либо начальная скорость процесса, либо конечная концентрация одного из продуктов реакции, определяемая любым инструментальным методом.
Ферментативные методы основаны на использовании реакций, катализируемых ферментами – биологическими катализаторами, отличающимися высокой активностью и избирательностью действия.
Иммунохимические методы анализа основаны на специфическом связывании определяемого соединения – антигена соответствующими антителами. Иммунохимическая реакция в растворе между антителами и антигенами – сложный процесс, протекающий в несколько стадий.
4.4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Электрохимические методы анализа и исследования основаны на изучении и использовании процессов, протекающих на поверхности электрода или в приэлектродном пространстве. Любой электрический параметр (потенциал, сила тока, сопротивление и др.), функционально связанный с концентрацией анализируемого раствора и поддающийся правильному измерению, может служить аналитическим сигналом.
Различают прямые и косвенные электрохимические методы. В прямых методах используют зависимость силы тока (потенциала и т.д.) от концентрации определяемого компонента. В косвенных методах силу тока (потенциал и т.д.) измеряют с целью нахождения конечной точки титрования определяемого компонента подходящим титрантом, т.е. используют зависимость измеряемого параметра от объема титранта.
Для любого рода электрохимических измерений необходима электрохимическая цепь или электрохимическая ячейка, составной частью которой является анализируемый раствор.
Существуют различные способы классификации электрохимических методов – от очень простых до очень сложных, включающих рассмотрение деталей электродных процессов.
4.5. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
К спектроскопическим методам анализа относят физические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения.
4.6. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Масс-спектрометрический метод анализа основан на ионизации атомов и молекул излучаемого вещества и последующем разделении образующихся ионов в пространстве или во времени.
Наиболее важное применение масс-спектрометрия получила для идентификации и установления структуры органических соединений. Молекулярный анализ сложных смесей органических соединений целесообразно проводить после их хроматографического разделения.
4.7. МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ОСНОВАННЫЕ НА РАДИОАКТИВНОСТИ
Методы анализа, основанные на радиоактивности, возникли в эпоху развития ядерной физики, радиохимии, атомной техники и с успехом применяются и в настоящее время при проведении разнообразных анализов, в том числе в промышленности и геологической службе. Эти методы весьма многочисленны и разнообразны. Можно выделить четыре основные группы: радиоактивный анализ; методы изотопного разбавления и другие радиоиндикаторные методы; методы, основанные на поглощении и рассеянии излучений; чисто радиометрические методы. Наибольшее распространение получил радиоактивационный метод . Этот метод появился после открытия искусственной радиоактивности и основан на образовании радиоактивный изотопов определяемого элемента при облучении пробы ядерными или g-частицами и регистрации полученной при активации искусственной радиоактивности.
4.8. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Термические методы анализа основаны на взаимодействии вещества с тепловой энергией. Наибольшее применение в аналитической химии находят термические эффекты, которые являются причиной или следствием химических реакций. В меньшей степени применяются методы, основанные на выделении или поглощении теплоты в результате физических процессов. Это процессы, связанные с переходом вещества из одной модификации в другую, с изменением агрегатного состояния и другими изменениями межмолекулярного взаимодействия, например, происходящими при растворении или разбавлении. В таблице приведены наиболее распространенные методы термического анализа.
Термические методы успешно используются для анализа металлургических материалов, минералов, силикатов, а так же полимеров, для фазового анализа почв, определения содержания влаги в пробах.
4.9. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Биологические методы анализа основаны на том, что для жизнедеятельности – роста, размножения и вообще нормального функционирования живых существ необходима среда строго определенного химического состава. При изменении этого состава, например, при исключении из среды какого-либо компонента или введении дополнительного (определяемого) соединения организм через какое-то время, иногда практически сразу, подает соответствующий ответный сигнал. Установление связи характера или интенсивности ответного сигнала организма с количеством введенного в среду или исключенного из среды компонента служит для его обнаружения и определения.
Аналитическими индикаторами в биологических методах являются различные живые организмы, их органы и ткани, физиологические функции и т.д. В роли индикаторного организма могут выступать микроорганизмы, беспозвоночные, позвоночные, а так же растения.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Значение аналитической химии определяется необходимостью общества в аналитических результатах, в установлении качественного и количественного состава веществ, уровнем развития общества, общественной потребностью в результатах анализа, так же и уровнем развития самой аналитической химии.
Цитата из учебника по аналитической химии Н.А.Меншуткина 1897 года выпуска: «Представив весь ход занятий по аналитической химии в виде задач, решение которых предоставлено занимающемуся, мы должны указать на то, что для подобного решения задач аналитическая химия даст строго определенный путь. Эта определенность (систематичность решения задач аналитической химии) имеет большое педагогическое значение.Занимающийся приучается при этом применять свойства соединений к решению вопросов, выводить условия реакций, комбинировать их. Весь этот ряд умственных процессов можно выразить так: аналитическая химия приучает химически думать. Достижение последнего представляется самым важным для практических занятий аналитической химией».
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. К.М.Ольшанова, С.К. Пискарева, К.М.Барашков «Аналитическая химия», Москва, «Химия», 1980 г.
2. «Аналитическая химия. Химические методы анализа», Москва, «Химия», 1993 г.
3. «Основы аналитической химии. Книга 1», Москва, «Высшая школа», 1999 г.
4. «Основы аналитической химии. Книга 2», Москва, «Высшая школа», 1999 г.
Предмет её как науки - совершенствование существующих и разработка новых методов анализа, их практическое применение, исследование теоретических основ аналитических методов.
В зависимости от задания, аналитическая химия подразделяется на качественный анализ , нацеленный на определение того, что или какие вещества, в какой форме находится в образце, и количественный анализ , нацеленный на определение сколько данного вещества (элементов, ионов , молекулярных форм и др.) находится в образце.
Определение элементного состава материальных объектов называют элементным анализом . Установление строения химических соединений и их смесей на молекулярном уровне называют молекулярным анализом . Одним из видов молекулярного анализа химических соединений является структурный анализ, направленный на исследование пространственного атомного строения веществ, установление эмпирических формул, молекулярных масс и др. В задачи аналитической химии входит определение характеристик органических, неорганических и биохимических объектов. Анализ органических соединений по функциональным группам называют функциональным анализом .
Аналитическая химия существует с тех пор, как существует химия в современном её смысле, а многие применяемые в ней приемы относятся к ещё более ранней эпохе, эпохе алхимии , одной из главных задач которой было именно определение состава различных природных веществ и изучение процессов их взаимных превращений. Но, по мере развития всей химии в целом, значительно совершенствовались и применяемые в ней методы работы, и, наряду со своим чисто служебным значением одного из вспомогательных отделов химии, аналитическая химия в настоящее время время имеет значение совершенно самостоятельного отдела химического знания с очень серьезными и важными задачами теоретического характера. Очень важное влияние на развитие аналитической химии имела современная физическая химия , обогатившая её рядом совершенно новых методов работы и теоретических оснований, к числу которых нужно отнести учение о растворах (см.), теорию электролитической диссоциации, закон действующих масс (см. Химическое равновесие) и все вообще учение о химическом сродстве.
Совокупность традиционных методов определения состава вещества путём его последовательно химического разложения получила название «мокрой химии» («мокрый анализ»). Эти методы обладают относительно низкой точностью, требуют относительно невысокой квалификации аналитиков и ныне почти полностью вытеснены современными инструментальными методами (оптическими, масс-спектрометрическими, электрохимическими, хроматографическими и другими физико-химическими методами) определения состава вещества. Однако у мокрой химии есть своё преимущество перед спектрометрическими методами - она позволяет путем проведения стандартизованных процедур (систематический анализ) напрямую определять состав и разные окислительные состояния элементов, таких как железо (Fe +2 , Fe +3), титан и др.
Аналитические методы можно разделить на валовые и локальные. Для валовых методов анализа обычно требуется отделённое, подробленное вещество (представительная проба). Локальные методы определяют состав вещества в небольшом объёме в самом образце, что позволяет составлять «карты» распределения химических свойств образца по его поверхности и/или глубине. Следует также выделить методы прямого анализа , то есть не связанного с предварительной подготовкой пробы. Часто подготовка проб необходима (напр., дробление, предварительное концентрирование или разделение). При подготовке проб, интерпретации результатов, оценке числа анализов используются статистические методы .
Для определения качественного состава какого-либо вещества необходимо изучить его свойства, которые с точки зрения аналитической химии, могут быть двоякого рода: свойства вещества как такового, и свойства его в химических превращениях.
К числу первых относятся: физическое состояние (твёрдое вещество, жидкость, газ), структура его в твердом состоянии (аморфное или кристаллическое вещество), цвет, запах, вкус и др. При этом нередко уже по одним только внешним свойствам, определяемым при помощи органов чувств человека, представляется возможным установить природу данного вешества. В большинстве же случаев приходится превращать данное вещество в какое-либо новое с ясно выраженными характерными свойствами, пользуясь для этой цели некоторыми специально подбираемыми соединениями, носящими название реактивов .
Применяемые в аналитической химии реакции крайне разнообразны и находятся в зависимости от физических свойств и степени сложности состава изучаемого вещества. В том случае, когда химическому анализу подлежит заведомо чистое, однородное химическое соединение, работа производится сравнительно легко и быстро; когда же приходится иметь дело со смесью нескольких химических соединений, вопрос об её анализе значит, усложняется, и при производстве работы нужно держаться некоторой определённой системы для того, чтобы не просмотреть ни одного входящего в вещество элемента. В аналитической химии существует два рода реакций: реакции мокрым путём (в растворах) и реакции сухим путём .
В качественном химическом анализе применяются только такие реакции в растворах, которые легко воспринимаются человеческими органами чувств, причём момент появления реакции узнаётся по одному из следующих явлений:
Образование осадка в реакциях химического анализа зависит от образования какого-либо нерастворимого в воде вещества; если, например, к раствору какой-либо соли бария прибавить серной кислоты или растворимой в воде соли её, образуется белый порошкообразный осадок сернокислого бария :
BaCl 2 + H 2 SO 4 = 2HCl + BaSO 4 ↓
Имея в виду, что подобную же реакцию образования белого осадка под действием серной кислоты могут дать некоторые другие металлы, например, свинец , способный образовать нерастворимую сернокислую соль PbSO 4 , для полной уверенности в том, что это именно тот или другой металл, необходимо производить ещё поверочные реакции, подвергая соответственному исследованию образовавшийся в реакции осадок.
Для успешного проведения реакции образования осадков, кроме подбора соответственного реактива, необходимо ещё соблюдать ряд очень важных условий в отношении крепости растворов исследуемой соли и реактива, пропорции того и другого, температуры, продолжительности взаимодействия и т. д. При рассмотрении осадков, образующихся в реакциях химического анализа, необходимо обращать внимание на их внешний вид, то есть на цвет, структуру (аморфные и кристаллические осадки) и др., а равно на их свойства в отношении влияния на них нагревания, кислот или щелочей и т. д. При взаимодействии слабых растворов необходимо выжидать иногда образования осадка до 24-48 часов, при условии сохранения их при некоторой определенной температуре.
Реакция образования осадка, независимо от её качественного значения в химическом анализе, нередко применяется для отделения некоторых элементов друг от друга. С этой целью на раствор, содержащий соединения двух или нескольких элементов, действуют соответственным реактивом, способным перевести некоторые из них в нерастворимые соединения, и затем посредством фильтрования отделяют образовавшийся осадок от раствора (фильтрата), производя дальнейшее исследование их отдельно. Если взять, например, соли хлористого калия и хлористого бария и прибавить к ним серной кислоты, то образуется нерастворимый осадок сернокислого бария BaSO 4 , и растворимый в воде сернокислый калий К 2 SO 4 , каковые и могут быть разделены посредством фильтрования. При этом отделении осадка нерастворимого в воде вещества от раствора необходимо позаботиться прежде всего о том, чтобы он получил соответственную структуру, позволяющую без труда произвести работу фильтрования, а затем, собравши его на фильтре, необходимо тщательно отмыть его от посторонних примесей. По исследованиям В. Оствальда , нужно при этом иметь в виду, что при употреблении определенного количества воды для промывания более целесообразно промывать осадок много раз небольшими порциями воды, чем наоборот - немного раз большими порциями. Что касается успешности проведения самой реакции отделения какого-либо элемента в виде нерастворимого осадка, то, на основании теории растворов, В. Оствальд установил, что для достаточно полного отделения какого-либо элемента в виде нерастворимого осадка необходимо всегда брать избыток реактива, служащего для осаждения.
Изменение окраса раствора является одним из очень важных признаков в реакциях химического анализа и имеет очень важное значение, в особенности в связи с процессами окисления и восстановления, а равно в работах с химческими индикаторами (см. ниже - алкалиметрия и ацидиметрия).
Примерами цветных реакций в качественном химическом анализе могут служить следующие: роданистый калий KCNS дает характерное кровяно-красное окрашивание с солями окиси железа; с солями закиси железа тот же реактив не дает ничего. Если к раствору хлористого железа FeCl 2 , слабо-зелёного цвета прибавить какой-либо окислитель, например, хлорную воду , происходит окрашивание раствора в жёлтый цвет благодаря образованию хлорного железа , являющегося высшей степенью окисления этого металла. Если взять дихромат калия K 2 Cr 2 O 7 оранжевого цвета и прибавить к нему в растворе немного серной кислоты и какого-нибудь восстановителя, например, винного спирта , происходит изменение оранжевой окраски в тёмно-зеленую, соответствующую образованию низшей степени окисления хрома в виде соли сернокислого хрома Cr 3 (SO 4) 3 .
В зависимости от хода химического анализа в нём нередко приходится производить эти процессы окисления и восстановления . Важнейшими окислителями служат: галогены , азотная кислота , перекись водорода , марганцовокислый калий , двухромокислый калий ; важнейшими восстановителями являются: водород в момент выделения, сернистый водород , сернистая кислота , хлористое олово , иодистый водород .
Реакции выделения газов в растворах при производстве качественного химического анализа чаще всего не имеют самостоятельного значения и являются реакциями вспомогательными; чаще всего приходится встречаться с выделением углекислого газа CO 2 - при действии кислот на углекислые соли, сернистого водорода - при разложении сернистых металлов кислотами и т. п.
Эти реакции применяются в химическом анализе, главным образом, при т. н. «предварительном испытании», при испытании осадков на чистоту, для поверочных реакций и при исследовании минералов. Важнейшие реакции этого рода состоят в испытании вещества в отношении:
Для производства этих испытаний пользуются в большинстве случаев несветящимся пламенем газовой горелки. Главные составные части светильного газа (водород, окись углерода, болотный газ и др. углеводороды) являются восстановителями, но при горении его на воздухе (см. Горение) образуется пламя, в различных частях которого можно найти условия, необходимые для восстановления или окисления, а равно для нагревания до более или менее высокой температуры.
Испытание на плавкость проводится преимущественно при исследовании минералов для чего очень небольшой осколочек их, укреплённый в тонкой платиновой проволоке, вносится в часть пламени, обладающую наиболее высокой температурой, и затем при помощи лупы наблюдают, насколько закругляются края пробы.
Испытание на окрашивание пламени производится внесением небольшой пробы сепием небольшой пробы вещества на платиновой проволоке сперва в основание пламени, а затем в часть его с наиболее высокой температурой.
Испытание на летучесть производится нагреванием пробы вещества в пробирном цилиндре или в запаянной с одного конца стеклянной трубочке, причём летучие вещества превращаются в пары, которые затем конденсируются в более холодной части.
Окисление и восстановление в сухом виде можно производить в шариках сплавленной буры ( 2 4 7 + 10 2 ) Испытуемое вещество вводится в небольшом количестве в шарики, полученные расплавлением этих солей на платиновой проволоке, а затем они подвергаются нагреванию в окислительной или восстановительной части пламени. Восстановление можно производить ещё рядом других способов, а именно: нагреванием на обугленной с содою палочке, накаливанием в стеклянной трубке с металлами - натрием , калием или магнием , нагреванием ва древесном угле при помощи паяльной трубки, простым нагреванием.
В основе классификации элементов, принятой в аналитической химии, лежит то же самое разделение их, какое принято в обшей химии, - на металлы и неметаллы (металлоиды), причём последние рассматриваются чаше всего в виде соответственных кислот. Для производства систематического качественного анализа каждый из этих классов элементов делится в свою очередь на группы с некоторыми общими групповыми признаками.
Металлы в аналитической химии распределяются по двум отделам, которые в свою очередь делятся на пять групп:
Алюминий и хром водным путём не образуют сернистых соединений; остальные металлы образуют сернистые соединения, которые так же, как окислы их, растворимы в слабых кислотах. Из кислого раствора сернистый водород их не осаждает, сернистый аммоний осаждает окислы или сернистые соединения. Сернистый аммоний - общий реактив на эту группу, причём избыток его сернистых соединений не растворяет. 4-я группа : серебро , свинец , висмут , медь , палладий , родий , рутений , осмий . Сернистые соединения не растворимы в слабых кислотах и осаждаются сероводородом в кислом растворе; они не растворимы также в сернистом аммонии. Сернистый водород - общий реактив на эту группу. 5-я группа: олово , мышьяк , сурьма , золото , платина . Сернистые соединения также не растворимы в слабых кислотах и осаждаются сероводородом из кислого раствора. Но они растворимы в сернистом аммонии и образуют с ним растворимые в воде сульфасоли.
Неметаллы (металлоиды) приходится открывать в химическом анализе всегда в виде образуемых ими кислот или соответствующим им солей. Основанием для разделения кислот на группы служат свойства их бариевых и серебряных солей в отношении растворимости их в воде и отчасти в кислотах. Хлористый барий представляет общий реактив на 1-ю группу, азотнокислое серебро в азотнокислом растворе - на 2-ю группу, бариевые и серебряные соли 3-й группы кислот растворимы в воде. 1-я группа : в нейтральном растворе хлористый барий осаждает нерастворимые соли; соли серебра не растворимы в воде, но растворимы в азотной кислоте. Сюда относятся кислоты: хромовая , серноватистая , сернистая , водная, угольная , кремниевая , серная , кремнефтористоводородная (бариевые соли, не растворимые в кислотах), мышьяковая и мышьяковистая . 2-я группа : в растворе, подкисленном азотной кислотой, азотнокислое серебро даёт осадок. Сюда относятся кислоты: соляная , бромистоводородная и иодистоводородная , цианистоводородная , сернистый водород , железо- и железистоцианистоводородные и йодноватая . 3-я группа : азотная кислота и хлорноватая кислота, которые не осаждаются ни азотнокислым серебром, ни хлористым барием.
Нужно, однако, иметь в виду, что указанные для кислот реактивы не являются общими реактивами, которыми можно было бы воспользоваться для разделения кислот на группы. Эти реактивы могут только дать указание на присутствие кислотной или другой группы, а для открытия каждой отдельной кислоты приходится пользоваться принадлежащими им частными реакциями. Приведенная классификация металлов и неметаллов (металлоидов) для целей аналитической химии принята в русской школе и лабораториях (по Н. А. Меншуткину), в западноевропейских лабораториях принята другая классификация, основанная, однако, по существу, на тех же принципах.
Теоретические основания реакций качественного химического анализм в растворах нужно искать, как уже было выше указано, в отделах общей и физической химии о растворах и о химическом сродстве. Одним из первых, важнейших вопросов является состояние всех минеральных в водных растворах, в которых, согласно теориии электролитической диссоциации , все вещества, относящиеся к классам солей, кислот и щелочей, диссоциируют на ионы . Поэтому все реакции химического анализа происходят не между цельными молекулами соединений, а между их ионами. Например, реакция хлористого натрия NaCl и азотнокислого серебра AgNO 3 происходит по уравнению:
Na + + Cl - + Ag + + (NO 3) - = AgCl↓ + Na + + (NO 3) - натрий-ион + хлор-ион + ион ceребра + анион азотной кислоты = нерастворимая соль + анион азотной кислоты
Следовательно, азотнокислое серебро есть реактив не на хлористый натрий или соляную кислоту, а только на хлор-ион. Таким образом, для каждой находящейся в растворе соли с точки зрения аналитической химии нужно рассматривать отдельно её катион (ион металла) и анион (кислотный остаток). Для свободной кислоты нужно рассматривать ионы водорода и анион; наконец, для каждой щёлочи - катион металла и анион-гидроксил. И по существу важнейшая задача качественного химического анализа заключается в изучении реакций разнообразных ионов и способов открытия их и отделения друг от друга.
Для достиения последней цели действием соответственных реактивов ионы превращают в нерастворимые соединения, выпадающие из раствора в виде осадков, или же выделяют из растворов в виде газов. В той же теории электролитической диссоциации нужно искать объяснения действия химических индикаторов , которые часто находят себе применение в химическом анализе. По теории В. Оствальда , все химические индикаторы относятся к числу сравнительно слабых кислот, частично диссоциированных в водных растворах. При этом некоторые из них имеют бесцветные целые молекулы и окра- шенные анионы, другие, наоборот, - окрашенные молекулы и бесцветный анион или же анион другой окраски; подвергаясь влиянию свободных водород-ионов кислот или гидроксил-ионов щёлочи, химические индикаторы могут изменять степень своей диссоциации, а вместе с тем свою окраску. Важнейшими индикаторами являются:
Химические индикаторы имеют очень важное применение в объёмном химическом анализе (см. ниже). В реакциях качественного химического анализа нередко также приходится встречаться с явлением гидролиза , то есть разложения солей под влиянием воды, причём водный раствор приобретает более или менее сильную щелочную или кислотную реакцию.
При качественном химическом анализе важно определить не только какие элементы или соединения входят в состав данного вещества, но также и то, в каких, примерно, относительных количествах находятся эти составные части. Для этой цели необходимо исходить всегда из определённых количеств анализируемого вещества (достаточно обыкновенно брать 0,5-1 грамм) и при производстве анализа сравнивать величину отдельных осадков между собою. Необходимо также применять растворы реактивов определенной крепости, а именно: нормальные, полунормальные, в одну десятую нормального.
Каждый качественный химический анализ распадается на три части:
В отношении природы анализируемого вещества могут встретиться четыре случая:
При анализе твёрдого неметаллического вещества прежде всего производится внешний осмотр и микроскопическое исследование, а также предварительное испытание указанными выше способами анализа в сухом виде. Затеи проба вещества растворяется, в зависимости от природы его, в одном из следующих растворителей: вода, соляная кислота , азотная кислота и царская водка (смесь соляной и азотной кислот). Вещества, неспособные растворяться ни в одном из указанных растворителей, переводятся в раствор некоторыми специальными приемами, как-то: сплавлением с содой или поташом , кипячением с раствором соды, нагреванием с некоторыми кислотами и др. Полученный раствор подвергается систематическому анализу с предварительным выделением металлов и кислот по группам и дальнейшим разделением их на отдельные элементы, пользуясь свойственными им частными реакциями.
При анализе сплава металлов определенная проба его растворяется в азотной кислоте (в редких случаях в царской водке), и полученный раствор выпаривается досуха, после чего твёрдый остаток растворяется в воде и подвергается систематическому анализу.
Если вещество представляет жидкость , прежде всего обращается внимание на её цвет, запах и реакцию на лакмус (кислотная, щелочная, нейтральная). Чтобы удостовериться в присутствии в растворе каких-либо твёрдых веществ, небольшую порцию жидкости выпаривают на платиновой пластинке или часовом стекле. После этих предварительных испытаний жидкость апализируется обычными методами.
Анализ газов производится некоторыми специальными методами, указываемыми в количественном анализе.
Количественный химический анализ имеет целью определение относительного количества отдельных составных частей какого-либо химического соединения или смеси. Применяемые в нём методы находятся в зависимости от качеств, состава вещества, и потому количественному химическому анализу дол- жен предшествовать всегда качественный химический анализ
Для производства количественного анализа можно применять два различных метода: весовой и объемный. При весовом методе определяемые тела выделяются в виде, по возможности, нерастворимых или трудно растворимых соединений известного химического состава, и определяется вес их, на основании которого можно найти количество искомого элемента вычислением. При объёмном анализе измеряются объёмы титрованных (содержащих определенное количество реактива) растворов, употребляемых для анализа. Кроме того, различается ещё ряд специальных методов количественного химического анализа, а именно:
Совершенно особую группу представляет медицинский химический анализ , обнимающий ряд различных методов исследования крови, мочи и других продуктов жизнедеятельности человеческого организма.
Методы весового количественный химического анализа бывают двух родов: метод прямого анализа и метод непрямого (косвенного) анализа . В первом случае подлежащая определению составная часть выделяется в виде какого-либо нерастворимого соединения, и определяется вес последнего. Косвенный анализ основан на том, что два или несколько веществ, подвергающихся одной и той же химической обработке, претерпевают неодинаковое изменение их веса. Имея, например, смесь хлористого калия и азотнокислого натрия , можно определить первый из них прямым анализом, осадивши хлор в виде хлористого серебра и взвешивая его. Если же имеется смесь хлористых солей калия и натрия, можно определить отношение их непрямым методом путём осаждения всего хлора, в виде хлористого серебра, и определения его веса, с последующим вычислением.
