Любой метод анализа использует определенный аналитический сигнал, который в данных условиях дают конкретные элементарные объекты (атомы, молекулы, ионы), из которых состоят исследуемые вещества.
Аналитический сигнал дает информацию как качественного, так и количественного характера. Например, если для анализа используются реакции осаждения, качественную информацию получают по появлению или отсутствию осадка. Количественную информацию получают по величине массы осадка. При испускании веществом света в определенных условиях качественную информацию получают по появлению сигнала (испускание света) при длине волны, соответствующей характерному цвету, а по интенсивности светового излучения получают количественную информацию.
По происхождению аналитического сигнала методы аналитической химии можно классифицировать на химические, физические и физико-химические.
В химических методах проводят химическую реакцию и измеряют либо массу полученного продукта – гравиметрические(весовые) методы, либо объем реагента, израсходованный на взаимодействие с веществом, – титриметрические,газоволюмометрические (объемные) методы.
Газоволюмометрия (газовый объёмный анализ) основана на избирательной абсорбции составных частей газовой смеси в сосудах, заполненных тем или иным поглотителем, c последующим измерением уменьшения объёма газа c помощью бюретки. Tак, диоксид углерода поглощают раствором гидроксида калия, кислород - раствором пирогаллола, монооксид углерода - аммиачным раствором хлорида меди. Газоволюмометрия относится к экспрессным методам анализа. Oна широко используется для определения карбонатов в г. п. и минералах.
Xимические методы aнализа широко используют для анализа руд, горных пород, минералов и других материалов при определении в них компонентов c содержанием от десятых долей до нескольких десятков процента. Xимические методы анализа характеризуются высокой точностью (погрешность анализа обычно составляет десятые доли процента). Однако эти методы постепенно вытесняются более экспрессными физико-химическими и физизическими методами анализа.
Физические методы анализа основаны на измерении какого-либо физического свойства веществ, являющегося функцией состава. Например, рефрактометрия основана на измерении относительных показателей преломления света. В активационном анализе измеряется активность изотопов и т. д. Часто при проведении анализа предварительно проводят химическую реакцию, и концентрацию полученного продукта определяют по физическим свойствам, например по интенсивности поглощения светового излучения цветным продуктом реакции. Такие методы анализа называют физико-химическими.
Физические методы анализа характеризуются высокой производительностью, низкими пределами обнаружения элементов, объективностью результатов анализа, высоким уровнем автоматизации. Физические методы анализа используют при анализе горных пород и минералов. Hапример, атомно-эмиссионным методом определяют вольфрам в гранитах и сланцах, сурьму, олово и свинец в горных породах и фосфатах; атомно-абсорбционным методом - магний и кремний в силикатах; рентгенофлуоресцентным - ванадий в ильмените, магнезите, глинозёме; масс-спектрометрическим - марганец в лунном реголите; нейтронно-активационным - железо, цинк, сурьму, серебро, кобальт, селен и скандий в нефти; методом изотопного разбавления - кобальт в силикатных породах.
Физические и физико-химические методы иногда называют инструментальными, т. к. в этих методах требуется применение специально приспособленных для проведения основных этапов анализа и регистрации его результатов инструментов (аппаратуры).
Физико-химические методы анализа могут включать химические превращения определяемого соединения, растворение образца, концентрирование анализируемого компонента, маскирование мешающих веществ и других. В отличие от «классических» химических методов анализа, где аналитическим сигналом служит масса вещества или его объем, в физико-химические методы анализа в качестве аналитического сигнала используют интенсивность излучения, силу тока, электропроводность, разность потенциалов.
Важное практическое значение имеют методы, основанные на исследовании испускания и поглощения электромагнитного излучения в различных областях спектра. К ним относится спектроскопия (например, люминесцентный анализ, спектральный анализ, нефелометрия и турбидиметрия и другие). К важным физико-химическим методам анализа принадлежат электрохимические методы, использующие измерение электрических свойств вещества (кулонометрия, потенциометрия и т. д.), а также хроматография (например, газовая хроматография, жидкостная хроматография, ионообменная хроматография, тонкослойная хроматография). Успешно развиваются методы, основанные на измерении скоростей химических реакций (кинетические методы анализа), тепловых эффектов реакций (термометрическое титрование), а также на разделении ионов в магнитном поле (масс-спектрометрия).
Предмет и задачи аналитической химии.
Аналитической химией называют науку о методах качественного и количественного исследования состава веществ (или их смесей). Задачей аналитической химии является развитие теории химических и физико-химических методов анализа и операций в научных исследованиях.
Аналитическая химия состоит из двух основных разделов: качественный анализ состоит в “открытии “, т.е. обнаружении отдельных элементов (или ионов), из которых состоит анализируемое вещество. Количественный анализ заключается в определении количественного содержания отдельных составных частей сложного вещества.
Практическое значение аналитической химии велико. С помощью методов хим. анализа открыты законы: постоянства состава, кратных отношений, определены атомные массы элементов, химические эквиваленты, установлены формулы многих соединений.
Аналитическая химия способствует развитию естественных наук - геохимии, геологии, минералогии, физики, биологии, технологических дисциплин, медицины. Химический анализ - основа современного химико-технологического контроля всех производств, в которых производится анализ сырья, продукции и отходов производства. По результатам анализа судят о течении технологического процесса и о качестве продукции. Химические и физико-химические методы анализа лежат в основе установления госстандарта на всю выпускаемую продукцию.
Велика роль аналитической химии в организации мониторинга окружающей среды. Это мониторинг загрязнения поверхностных вод, почв ТМ, пестицидами, нефтепродуктами, радионуклидами. Одной из задач мониторинга является создание критериев, устанавливающих пределы возможного экологического ущерба. Например ПДК - предельно-допустимая концентрация - это такая концентрация, при воздействии которой на организм человека, периодически или в течении всей жизни, прямо или косвенно через экологические системы, не возникает заболеваний или изменений состояния здоровья, обнаруживаемые современными методами сразу же или в отдаленные сроки жизни. Для каждого хим. вещества имеется свое значение ПДК.
Классификация методов качественного анализа.
Исследуя новое соединение, прежде всего определяют, из каких элементов (или ионов) оно состоит, а затем уже количественные отношения, в которых они находятся. Поэтому качественный анализ, как правило, предшествует количественному анализу.
Все аналитические методы основаны на получении и измерении аналитического сигнала, т.е. любого проявления химических или физических свойств вещества, которое можно использовать для установления качественного состава анализируемого объекта или для количественной оценки содержащихся в нем компонентов. Анализируемым объектом может быть индивидуальное соединение в любом агрегатном состоянии. смесь соединений, природный объект (почва, руда, минерал, воздух, вода), продукты промышленного производства и продукты питания. Перед анализом проводят отбор пробы, измельчение, просеивание, усреднение и т.д. Подготовленный для анализа объект называют образцом или пробой.
В зависимости от поставленной задачи выбирают метод. Аналитические методы качественного анализа по способу выполнения делятся на: 1) анализ “сухим” и 2) анализ “мокрым” путем.
Анализ “сухим” путем проводится с твердыми веществами. Он делится на пирохимический и метод растирания.
Пирохимический (греч. - огонь) вид анализа проводится нагреванием исследуемого образца в пламени газовой или спиртовой горелки, выполняется двумя путями: получение окрашенных “перлов” или окрашивание пламени горелки.
1.“Перлы” (франц. - жемчуг) образуются при растворении в расплаве солей NaNH 4 PO 4 ∙ 4 H 2 O, Na 2 B 4 O 7 ∙ 10 H 2 O - бура) или оксидов металлов. Наблюдая окраску полученных перлов “стекол” устанавливают присутствие тех или иных элементов в образце. Так, например, соединения хрома делают зеленую окраску перла, кобальта - синюю, марганца - фиолетово-аметистовую и т.д.
2. Окрашивание пламени - летучие соли многих металлов при внесении их в несветящуюся часть пламени окрашивают его в разные цвета, например, натрий - интенсивно желтый, калий - фиолетовый, барий - зеленый, кальций - красный и т.д. Эти виды анализа используются в предварительных испытаниях и в качестве “экспресс” - метода.
Анализ методом растирания. (1898г. Флавицкий). Исследуемый образец растирают в фарфоровой ступке с равным количеством твердого реагента. По окраске полученного соединения судят о наличии определяемого иона. Метод используется в предварительных испытаниях и проведения “экспресс” анализа в полевых условиях для анализа руд и минералов.
2.Анализ “мокрым” путем - это анализ образца, растворенного в каком - либо растворителе. В качестве растворителя чаще всего используют воду, кислоты или щелочи.
По способу проведения методы качественного анализа делятся на дробный и систематический. Метод дробного анализа - это определение ионов с помощью специфических реакций в любой последовательности. Применяется в агрохимических, заводских и пищевых лабораториях, когда состав исследуемого образца известен и требуется только проверить отсутствие примесей или в проведении предварительных испытаний. Систематический анализ - это анализ в строго определенной последовательности, в которой каждый ион обнаруживается только после того, как будут обнаружены и удалены мешающие определению ионы.
В зависимости от взятого количества вещества для анализа, а также от техники выполнения операций методы подразделяются на:
- макроанализ - проводится в сравнительно больших количествах вещества(1- 10 г). Анализ выполняется в водных растворов и в пробирках.
-микроанализ - исследует очень малые количества вещества (0,05 - 0,5 г). Выполняется либо на полоске бумаги, часовом стекле с каплей раствора (капельный анализ) или на предметном стекле в капле раствора получают кристаллы, по форме которых под микроскопом устанавливают вещество (микрокристаллоскопический).
Основные понятия аналитической химии.
Аналитические реакции - это реакции, сопровождающиеся хорошо заметным внешним эффектом:
1) выпадением или растворением осадка;
2) изменением окраски раствора;
3) выделение газа.
Кроме того, к аналитическим реакциям предъявляются еще два требования: необратимость и достаточная скорость реакции.
Вещества, под действием которых происходят аналитические реакции, называются реагентами или реактивами. Все хим. реагенты делятся на группы:
1) по химическому составу (карбонаты, гидроксиды, сульфиды и т.д.)
2) по степени очистки основного компонента.
Условия выполнения хим. анализа:
1. Среда реакции
2. Температура
3. Концентрация определяемого иона.
Среда. Кислая, щелочная, нейтральная.
Температура. Большинство хим. реакций выполняются при комнатных условиях “на холоду”, или иногда требуется охладить под краном. Многие реакции идут при нагревании.
Концентрация - это количество вещества, содержащееся в определенном весовом или объемном количестве раствора. Реакция и реактив, способный вызвать в заметной степени свойственный ему внешний эффект даже при ничтожно малой концентрации определяемого вещества, называются чувствительными .
Чувствительность аналитических реакций характеризуется:
1) предельным разбавлением;
2) предельной концентрацией;
3) минимальным объемом предельно разбавленного раствора;
4) пределом обнаружения (открываемым минимумом);
5) показателем чувствительности.
Предельное разбавление Vlim – максимальный объем раствора, в котором может быть (больше чем в 50 опытах из 100 опытов) обнаружен один грамм данного вещества при помощи данной аналитической реакции. Предельное разбавление выражается в мл/г.
Например, при реакции ионов меди с аммиаком в водном растворе
Cu 2+ + 4NH 3 = 2+ ¯ярко-синий комплекс
Предельное разбавление иона меди равно (Vlim = 2,5 · 10 5 мг/л), т.е. ионы меди можно открыть с помощью этой реакции в растворе, содержащем 1 г меди в 250 000 мл воды. В растворе, в котором содержится менее 1 г меди (II) в 250 000 мл воды, обнаружить эти катионы вышеприведенной реакцией невозможно.
Предельная концентрация Сlim (Cmin) – наименьшая концентрация, при которой определяемое вещество может быть обнаружено в растворе данной аналитической реакцией. Выражается в г/мл.
Предельная концентрация и предельное разбавление связаны соотношением: Сlim = 1 / V lim
Например, ионы калия в водном растворе открывают с помощью гексанитрокобальтатом (III) натрия
2K + + Na 3 [ Co(NO 2) 6 ] ® NaK 2 [ Co(NO 2) 6 ] ¯ + 2Na +
Предельная концентрация ионов К + при этой аналитической реакции равна С lim = 10 -5 г/мл, т.е. ион калия нельзя открыть указанной реакцией, если его содержание составляет меньше 10 -5 г в 1 мл анализируемого раствора.
Минимальный объем предельно разбавленного раствора Vmin – наименьший объем анализируемого раствора, необходимый для обнаружения открываемого вещества данной аналитической реакцией. Выражается в мл.
Предел обнаружения (открываемый минимум) m – наименьшая масса определяемого вещества, однозначно открываемого данной ан. реакциейв минимальном объеме предельно разбавленного раствора. Выражается в мкг (1 мкг = 10 -6 г).
m = C lim · V min × 10 6 = V min × 10 6 / V lim
Показатель чувствительности аналитической реакции определяется
pС lim = - lg C lim = - lg(1/Vlim) = lg V lim
Ан. реакция тем чувствительнее, чем меньше ее открываемый минимум, минимальный объем предельно разбавленного раствора и чем больше предельное разбавление.
Величина предела обнаружения зависит от:
1. Концентрации исследуемого раствора и реагента.
2. Продолжительности протекания ан. реакции.
3. Способа наблюдения внешнего эффекта (визуально или с помощью прибора)
4. Соблюдения условий выполнения ан. Реакций (t, рН, количество реагента, его чистота)
5. Присутствии и удаления примесей, посторонних ионов
6. Индивидуальные особенности химика-аналитика (аккуратность, острота зрения, умение различать цвета).
Типы аналитических реакций (реактивов):
Специфические - реакции, позволяющие определять данный ион или вещества в присутствии любых других ионов или веществ.
Например: NH4 + + OH - = NH 3 (запах) + H 2 O
Fe 3+ + CNS - = Fe(CNS) 3 ¯
кроваво-красный
Селективные - реакции позволяют избирательно открывать сразу несколько ионов с одинаковым внешним эффектом. Чем меньше ионов открывает данный реактив, тем выше его избирательность.
Например:
NH 4 + + Na 3 = NH 4 Na
K + + Na 3 = NaК 2
Групповые реакции (реагенты) позволяют обнаруживать целую группу ионов или каких-то соединений.
Например: катионы II группы - групповой реагент (NH4)2CO3
СaCI 2 + (NH 4) 2 CO 3 = CaCO 3 + 2 NH 4 CI
BaCI 2 + (NH 4) 2 CO 3 = BaCO 3 + 2 NH 4 CI
SrCI 2 + (NH 4) 2 CO 3 = SrCO 3 + 2 NH 4 CI
Аналитическая химия - это раздел, который позволяет осуществлять контроль производства и качества продуктов в различных отраслях хозяйства. На результатах этих исследований основывается разведка природных ископаемых. Методы аналитической химии применяют для контроля степени загрязненности окружающей среды.
Анализ является основным вариантом выяснения химического состава кормов, удобрений, почв, сельскохозяйственных продуктов, что важно для нормального функционирования агропромышленной отрасли.
Качественные и количественные химии незаменимы в биотехнологии, медицинской диагностике. От степени оснащения исследовательских лабораторий зависит эффективность и результативность многих научных областей.
Аналитическая химия — это наука, позволяющая определять состав и химическое строение вещества. Ее методы помогают отвечать на вопросы, связанные не только с составными частями вещества, но и их количественным соотношением. С их помощью можно понять, в какой форме конкретный компонент находится в исследуемом веществе. В некоторых случаях с их помощью можно определять пространственное расположение составных компонентов.
При продумывании методов часто заимствуется информация из смежных областей наук, она адаптируется под конкретную сферу исследования. Какие вопросы решает аналитическая химия? Методы анализа позволяют разрабатывать теоретические основы, устанавливать границы их использования, оценивать метрологические и иные характеристики, создавать методики анализа разнообразных объектов. Они постоянно обновляются, модернизируются, становятся все более универсальными и эффективными.
Когда ведут речь о методе анализа, предполагают принцип, который положен в выражение количественной связи между определяемым свойством и составом. Отобранные приемы проведения, в том числе выявление и устранение помех, устройства для практической деятельности и варианты обработки проведенных измерений.
Выделяют три основные области знания:
Современная аналитическая химия — это совокупность качественного и количественного анализа. Первый раздел решает вопрос о компонентах, включенных в анализируемый объект. Второй дает информацию о количественном содержании одного либо нескольких частей вещества.
Их делят на следующие группы: отбора проб, разложения проб, разделения компонентов, идентификации и определения их. Есть и гибридные методы, в которых сочетается разделение и определение.
Максимальное значение имеют методы определения. Их делят по характеру анализируемого свойства и варианту регистрации определенного сигнала. В задачи по аналитической химии часто входит расчет определенных компонентов на основе химических реакций. Для проведения таких расчетов необходима прочная математическая база.
Среди основных требований, которые предъявляются к методам аналитической химии, выделим:
При выборе метода анализа важно четко знать цель и задачи исследования, оценить основные преимущества и недостатки доступных методик.
Химический метод аналитической химии основывается на качественных реакциях, характерных для определенных соединений.
После того, как будут завершены отбор и подготовка пробы, осуществляется стадия химического анализа. Она связана с обнаружением компонентов в смеси, определением его количественного содержания.
Аналитическая химия — это наука, в которой есть множество методов, одним из них является сигнал. Аналитическим сигналом считают среднее из нескольких измерений физической величины на последней стадии анализа, которая функционально связана с содержанием искомого компонента. Если необходимо обнаружить определенный элемент, пользуются аналитическим сигналом: осадком, окраской, линией в спектре. Определение количества компонента связано с массой осадка, интенсивностью спектральных линий, величиной силы тока.
Маскированием является торможение либо полное подавление химической реакции в присутствии тех веществ, которые могут менять ее скорость либо направление. Выделяют два варианта маскирования: равновесное (термодинамическое) и неравновесное (кинетическое). Для первого случая создают условия, при которых настолько понижается константа реакции, что процесс идет незначительно. Концентрация маскируемого компонента будет недостаточна для надежной фиксации аналитического сигнала. Кинетическое маскирование базируется на росте разницы между скоростями определяемого и маскируемого вещества с постоянным реагентом.
Проведение концентрирования и разделения обусловлено определенными факторами:
Разделение является процессом, благодаря которому компоненты, имеющиеся в исходной смеси, можно отделить друг от друга.
Концентрирование - операция, благодаря которой увеличивается отношение количества небольших элементов к числу макрокомпонента.
Осаждение подходит для разделения нескольких Используют его в комбинации с методами определения, рассчитанными на получение аналитического сигнала от твердых образцов. Основывается разделение на разной растворимости веществ, используемых в водных растворах.
Кафедра аналитической химии предполагает проведение лабораторных исследований, связанных с экстракцией. Под ним подразумевают физико-химический процесс распределения вещества между несмешивающимися жидкостями. Экстракцией называют и процесс переноса массы в ходе химических реакций. Такие методы исследования подходят для извлечения, концентрирования макро- и микрокомпонентов, а также для группового и индивидуального выделения при анализе разных природных и промышленных объектов. Подобные методики просты и быстры в исполнении, гарантируют отличную эффективность концентрирования и разделения, они полностью совместимы с разнообразными методами определения. Благодаря экстракции можно рассматривать состояние компонента в растворе при разных условиях, а также выявлять его физико-химические характеристики.
Ее используют для концентрирования и разделения веществ. Сорбционные технологии дают неплохую селективность разделения смеси. Это процесс поглощения паров, жидкостей, газов сорбентами (поглотителями на твердой основе).
Чем еще занимается аналитическая химия? Учебник содержит информацию о методике электровыведения, при которой концентрированное либо отделяемое вещество осаждают на твердых электродах в виде простого вещества либо в составе соединения.
Электролиз основывается на осаждении конкретного вещества с помощью электрического тока. Самым распространенным вариантом является катодное осаждение малоактивных металлов. Материалом для электрода может служить платина, углерод, медь, серебро, вольфрам.
Он базируется на отличиях в скоростях движения частиц разного заряда в электрическом поле при изменении напряженности, размера частиц. В настоящее время в аналитической химии выделяют две формы электрофореза: простой (фронтальный) и на носителе (зонный). Первый вариант подходит для небольшого объема раствора, в котором содержатся разделяемые компоненты. Его помещают в трубку, где есть растворы. Аналитическая химия объясняет все процессы, происходящие на катоде и аноде. При зонном электрофорезе передвижение частиц осуществляется в стабилизирующей среде, удерживающей их на местах после отключения тока.
Метод цементации состоит в восстановлении составных частей на металлах, имеющих существенный отрицательный потенциал. В подобном случае происходит сразу два процесса: катодный (с выделением компонента) и анодный (цементирующий металл растворяется).
Дистилляция основывается на различной летучести химических веществ. Происходит переход из жидкой формы в газообразное состояние, потом конденсируется, опять переходя в жидкую фазу.
При простой отгонке протекает одноступенчатый процесс разделения, затем концентрирования вещества. В случае выпаривания удаляют те вещества, которые присутствуют в летучей форме. Например, среди них могут быть макро- и микрокомпоненты. Сублимация (возгонка) предполагает перевод вещества из твердой фазы в газ, минуя жидкую форму. Подобную методику применяют в тех случаях, когда разделяемые вещества мало растворимы в воде либо плохо плавятся.
В аналитической химии существует множество способов выделения одного вещества из смеси, выявления его наличия в исследуемом образце. Среди самых применяемых аналитических методов можно отметить хроматографию. Она позволяет выявлять жидкие, газообразные, твердые вещества, имеющие молекулярную массу от 1 до 106 а. е. м. Благодаря хроматографии можно получать полноценную информацию о свойствах и строении органических веществ различных классов. Основывается метод на распределении компонентов между подвижной и неподвижной фазой. Стационарной является твердое вещество (сорбент) либо пленка жидкости, которая нанесена на твердое вещество.
Подвижной фазой выступает газ либо жидкость, которые протекают сквозь неподвижную часть. Благодаря такой технологии можно идентифицировать отдельные компоненты, проводить количественный состав смеси, разделять ее на компоненты.
Помимо хроматографии, в качественном и количественном анализе используют гравиметрические, титриметрические, кинетические методы. Все они основываются на физических и химических свойствах веществ, позволяют исследователю обнаруживать в пробе определенные соединения, проводить расчеты их количественного содержания. Аналитическую химию по праву можно считать одним из важнейших разделов науки.
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, наука об определении химического состава веществ и материалов и, в некоторой степени, химического строения соединений. Аналитическая химия развивает общие теоретические основы химического анализа, разрабатывает методы определения компонентов изучаемого образца, решает задачи анализа конкретных объектов. Основная цель аналитической химии - создание методов и средств, обеспечивающих, в зависимости от поставленной задачи, точность, высокую чувствительность, экспрессность и избирательность анализа. Разрабатываются и методы, позволяющие анализировать микрообъекты, проводить локальный анализ (в точке, на поверхности и так далее), анализ без разрушения образца, на расстоянии от него (дистанционный анализ), непрерывный анализ (например, в потоке), а также устанавливать, в виде какого химического соединения и в какой физической форме существует в образце определяемый компонент (вещественный химический анализ) и в состав какой фазы он входит (фазовый анализ). Важные тенденции развития аналитической химии- автоматизация анализов, особенно при контроле технологических процессов, и математизация, в частности широкое использование компьютеров.
Структура науки . Можно выделить три крупных направления аналитической химии: общие теоретические основы; разработка методов анализа; аналитическая химия отдельных объектов. В зависимости от цели анализа различают качественный химический анализ и количественный химический анализ. Задача первого - обнаружение и идентификация компонентов анализируемого образца, задача второго - определение их концентраций или масс. В зависимости от того, какие именно компоненты нужно обнаружить или определить, различают изотопный анализ, элементный анализ, структурно-групповой (в том числе функциональный) анализ, молекулярный анализ, вещественный анализ, фазовый анализ. По природе анализируемого объекта различают анализ неорганических и органических веществ, а также биологических объектов.
В теоретических основах аналитической химии существенное место занимает так называемая хемометрика, в том числе метрология химического анализа. Теория аналитической химии включает также учения об отборе и подготовке аналитических проб, о составлении схемы анализа и выборе методов, о принципах и путях автоматизации анализа, применения ЭВМ, а также принципы рационального использования результатов химического анализа. Особенность аналитической химии - изучение не общих, а индивидуальных, специфических свойств и характеристик объектов, что обеспечивает избирательность многих аналитических методов. Благодаря тесным связям с достижениями физики, математики, биологии и различных областей техники (это особенно касается методов анализа) аналитическая химия превращается в дисциплину на стыке наук. Часто используют и иные названия этой дисциплины - аналитика, аналитическая наука и др.
В аналитической химии различают методы разделения, определения (обнаружения) и гибридные методы анализа, обычно сочетающие методы первых двух групп. Методы определения удобно подразделять на химические методы анализа (гравиметрический анализ, титриметрический анализ, электрохимические методы анализа, кинетические методы анализа), физические методы анализа (спектроскопический, ядерно-физический и др.), биохимические методы анализа и биологический метод анализа. Химические методы основаны на химических реакциях (взаимодействие вещества с веществом), физические — на физических явлениях (взаимодействие вещества с излучениями, потоками энергии), биологические используют отклик организмов или их фрагментов на изменения в окружающей среде.
Практически все методы определения основаны на зависимости каких-либо доступных измерению свойств веществ от их состава. Поэтому важное направление аналитической химии - отыскание и изучение таких зависимостей с целью использования их для решения аналитических задач. При этом почти всегда необходимо найти уравнение связи между свойством и составом, разработать способы регистрации свойства (аналитического сигнала), устранить помехи со стороны других компонентов, исключить мешающее влияние различных факторов (например, флуктуации температуры). Величину аналитического сигнала переводят в единицы, характеризующие количество или концентрацию компонентов. Измеряемыми свойствами могут быть, например, масса, объём, поглощение света, сила тока.
Большое внимание уделяется теории методов анализа. Теория химических методов базируется на представлениях о нескольких основных типах химических реакций, широко используемых в анализе (кислотно-основной, окислительно-восстановительной, комплексообразования), и нескольких важных процессах (осаждения, растворения, экстракции). Внимание к этим вопросам обусловлено историей развития аналитической химии и практической значимостью соответствующих методов. Поскольку, однако, доля химических методов уменьшается, а доля физических, биохимических и биологических растёт, большое значение приобретает совершенствование теории методов последних групп и интегрирование теоретических аспектов отдельных методов в общей теории аналитической химии.
История развития . Испытания материалов проводились ещё в глубокой древности; например, руды исследовали с целью установления их пригодности для плавки, различные изделия - для определения содержания в них золота и серебра. Алхимики 14-16 века выполнили огромный объём экспериментальных работ по изучению свойств веществ, положив начало химическим методам анализа. В 16-17 веках (период ятрохимии) появились новые химические способы обнаружения веществ, основанные на реакциях в растворе (например, открытие ионов серебра по образованию осадка с хлорид-ионами). Родоначальником научной аналитической химии считают Р. Бойля, который ввёл понятие «химический анализ».
До середины 19 века аналитическая химия была основным разделом химии. В этот период были открыты многие химические элементы, выделены составные части некоторых природных веществ, установлены законы постоянства состава и кратных отношений, закон сохранения массы. Шведский химик и минералог Т. Бергман разработал схему систематического качественного анализа, активно использовал сероводород как аналитический реагент, предложил методы анализа в пламени с получением перлов. В 19 веке систематический качественный анализ усовершенствовали немецкие химики Г. Розе и К. Фрезениус. Этот же век ознаменовался огромными успехами в развитии количественного анализа. Был создан титриметрический метод (французский химик Ф. Декруазиль, Ж. Гей-Люссак), значительно усовершенствован гравиметрический анализ, разработаны методы анализа газов. Большое значение имело развитие методов элементного анализа органических соединений (Ю. Либих). В конце 19 века сложилась теория аналитической химии, в основу которой было положено учение о химическом равновесии в растворах с участием ионов (главным образом В. Оствальд). К этому времени преобладающее место в аналитической химии заняли методы анализа ионов в водных растворах.
В 20 веке разработаны методы микроанализа органических соединений (Ф. Прегль). Был предложен полярографический метод (Я. Гейровский, 1922). Появилось много физических методов, например масс-спектрометрический, рентгеновский, ядерно-физический. Большое значение имело открытие хроматографии (М. С. Цвет, 1903) и создание разных вариантов этого метода, в частности распределительной хроматографии (А. Мартин и Р. Синг, 1941).
В России и в СССР большое значение для аналитической химии имел учебник И. А. Меншуткина «Аналитическая химия» (выдержал 16 изданий). М. А. Ильинский и Л. А. Чугаев ввели в практику органические аналитические реагенты (конец 19 - начало 20 века), Н.А. Тананаев разработал капельный метод качественного анализа (одновременно с австрийским химиком Ф. Файглем, 1920-е годы). В 1938 Н.А. Измайлов и М. С. Шрайбер впервые описали тонкослойную хроматографию. Большой вклад российские учёные внесли в изучение комплексообразования и его аналитического использования (И. П. Алимарин, А. К. Бабко), в теорию действия органических аналитических реагентов, в развитие масс-спектромегрии, методов фотометрии, атомно-абсорбционной спектрометрии (Б. В. Львов), в аналитическую химию отдельных элементов, особенно редких и платиновых, и ряда объектов - веществ высокой чистоты, минерального сырья, металлов и сплавов.
Требования практики всегда стимулировали развитие аналитической химии. Так, в 1940-1970-х годах в связи с необходимостью анализа ядерных, полупроводниковых и других материалов высокой чистоты были созданы такие чувствительные методы, как радиоактивационный анализ, искровая масс-спектрометрия, химико-спектральный анализ, инверсионная вольтамперометрия, обеспечивающие определение до 10 -7 —10 -8 % примесей в чистых веществах, т. е. 1 часть примеси на 10-1000 миллиард частей основного вещества. Для развития чёрной металлургии, особенно в связи с переходом к скоростному конвертерному производству стали, решающее значение приобрела экспрессность анализа. Использование так называемых квантометров - фотоэлектрических приборов для многоэлементного оптического спектрального или рентгеновского анализа - позволяет проводить анализ в ходе плавки.
Необходимость анализа сложных смесей органических соединений обусловила интенсивное развитие газовой хроматографии, которая позволяет анализировать сложнейшие смеси, содержащие несколько десятков и даже сотен веществ. Аналитическая химия в значительной мере способствовала овладению энергией атомного ядра, изучению космоса и океана, развитию электроники, прогрессу биологических наук.
Предмет исследования . Важную роль играет развитие теории отбора проб анализируемых материалов; обычно вопросы пробоотбора решаются совместно со специалистами по изучаемым веществам (например, с геологами, металловедами). Аналитическая химия разрабатывает способы разложения проб - растворение, сплавление, спекание и пр., которые должны обеспечивать полное «вскрытие» образца и не допускать потерь определяемых компонентов и загрязнений извне. В задачи аналитической химии входит развитие техники таких общих операций анализа, как измерение объёмов, фильтрование, прокаливание. Одна из задач аналитической химии - определение направлений развития аналитического приборостроения, создание новых схем и конструкций приборов (что чаще всего служит завершающей стадией разработки метода анализа), а также синтез новых аналитических реактивов.
Для количественного анализа очень важны метрологические характеристики методов и приборов. В связи с этим аналитическая химия изучает проблемы градуировки, изготовления и использования образцов сравнения (в том числе стандартных образцов) и других средств обеспечения правильности анализа. Существенное место занимает обработка результатов анализа, особенно компьютерная. Для оптимизации условий анализа используют теорию информации, теорию распознавания образов и другие разделы математики. Компьютеры применяют не только для обработки результатов, но и для управления приборами, учёта помех, градуировки, планирования эксперимента; существуют аналитические задачи, решаемые только с помощью компьютеров, например идентификация молекул органических соединений с использованием экспертных систем.
Аналитическая химия определяет общие подходы к выбору путей и методов анализа. Разрабатываются способы сопоставления методов, определяются условия их взаимозаменяемости и сочетания, принципы и пути автоматизации анализа. Для практического использования анализа необходима разработка представлений о его результате как показателе качества продукции, учение об экспрессном контроле технологических процессов, создание экономичных методов. Большое значение для аналитиков, работающих в различных отраслях экономики, имеют унификация и стандартизация методов. Разрабатывается теория оптимизации количества информации, необходимой для решения аналитических задач.
Методы анализа . В зависимости от массы или объёма анализируемого образца методы разделения и определения иногда подразделяют на макро-, микро- и ультрамикрометоды.
К разделению смесей обычно прибегают в тех случаях, когда методы прямого определения или обнаружения не позволяют получить правильный результат из-за мешающего влияния других компонентов образца. Особенно важно так называемое относительное концентрирование отделение малых количеств определяемых компонентов от значительно больших количеств основных компонентов пробы. Разделение смесей может базироваться на различии в термодинамических, или равновесных, характеристиках компонентов (константы обмена ионов, константы устойчивости комплексов) или кинетических параметрах. Для разделения применяют главным образом хроматографию, экстракцию, осаждение, дистилляцию, а также электрохимические методы, например электроосаждение. Методы определения - основная группа методов аналитической химии. В основе методов количественного анализа лежит зависимость какого-либо доступного измерению свойства, чаще всего физического, от состава образца. Эта зависимость должна описываться определённым и известным образом. Быстро развиваются гибридные методы анализа, объединяющие разделение и определение. Например, газовая хроматография с различными детекторами - важнейший метод анализа сложных смесей органических соединений. Для анализа смесей труднолетучих и термически нестойких соединений более удобна высокоэффективная жидкостная хроматография.
Для анализа необходимы разнообразные методы, поскольку каждый из них имеет свои достоинства и ограничения. Так, чрезвычайно чувствительные радиоактивационные и масс-спектральные методы требуют сложной и дорогостоящей аппаратуры. Простые, доступные и очень чувствительные кинетические методы не всегда обеспечивают нужную воспроизводимость результатов. При оценке и сопоставлении методов, при выборе их для решения конкретных задач принимаются во внимание многих факторы: метрологические параметры, сфера возможного использования, наличие аппаратуры, квалификация аналитика, традиции и др. Важнейшие среди этих факторов такие метрологические параметры, как предел обнаружения или диапазон концентраций (количеств), в котором метод даёт надёжные результаты, и точность метода, т. е. правильность и воспроизводимость результатов. В ряде случаев большое значение имеют «многокомпонентные» методы, позволяющие определять сразу большое число компонентов, например атомно-эмиссионный и рентгеновский спектральный анализ, хроматография. Роль таких методов возрастает. При прочих равных условиях предпочитают методы прямого анализа, т. е. не связанного с химической подготовкой пробы; однако часто такая подготовка необходима. Например, предварительное концентрирование исследуемого компонента позволяет определять меньшие его концентрации, устранять трудности, связанные с негомогенным распределением компонента в пробе и отсутствием образцов сравнения.
Особое место занимают методы локального анализа. Существенную роль среди них играют рентгеноспектральный микроанализ (электронный зонд), масс-спектрометрия вторичных ионов, оже-спектроскопия и другие физические методы. Они имеют большое значение, в частности при анализе поверхностных слоёв твёрдых материалов или включений в горных породах.
Специфическую группу составляют методы элементного анализа органических соединений. Органическое вещество тем или иным способом разлагают, а его компоненты в виде простейших неорганических соединений (СО 2 , Н 2 О, NН 3 и др.) определяют обычными методами. Применение газовой хроматографии позволило автоматизировать элементный анализ; для этого выпускаются С-, Н-, N-, S-анализаторы и другие приборы-автоматы. Анализ органических соединений по функциональным группам (функциональный анализ) выполняется различными химическими, электрохимическими, спектральными (ЯМР или ИК-спектроскопия) или хроматографическими методами.
При фазовом анализе, т. е. определении химических соединений, образующих отдельные фазы, последние предварительно выделяют, например с помощью избирательного растворителя, а затем полученные растворы анализируют обычными методами; весьма перспективны физические методы фазового анализа без предварительного разделения фаз.
Практическое значение . Химический анализ обеспечивает контроль многих технологических процессов и качества продукции в различных отраслях промышленности, играет огромную роль при поиске и разведке полезных ископаемых, в добывающей промышленности. С помощью химического анализа контролируется чистота окружающей среды (почвы, воды и воздуха). Достижения аналитической химии используют в различных отраслях науки и техники: атомной энергетике, электронике, океанологии, биологии, медицине, криминалистике, археологии, космических исследованиях. Велико экономическое значение химического анализа. Так, точное определение легирующих добавок в металлургии позволяет экономить ценные металлы. Переход на непрерывный автоматический анализ в медицинской и агрохимической лабораториях даёт возможность резко увеличить скорость анализов (крови, мочи, вытяжек из почв и так далее) и уменьшить численность сотрудников лабораторий.
Лит.: Основы аналитической химии: В 2 кн./ Под редакцией Ю. А. Золотова. М., 2002; Аналитическая химия: В 2 т. М., 2003-2004.
Инженеры-экологи должны знать химический состав сырья, продуктов и отходов производства и окружающей среды - воздуха, воды и почвы; важно выявить вредные вещества и определить их концентрацию. Эту задачу решает аналитическая химия - наука об определении химического состава веществ.
Задачи аналитической химии решаются главным образом физико-химическими методами анализа, которые, называют также инструментальными. Они используют измерение какого-либо физического или физико-химического свойства вещества для определения его состава. Он включает также разделы, посвящённые методам разделения и очистки веществ.
Цель данного курса лекций - ознакомление с принципами инструментальных методов анализа, чтобы ориентироваться в их возможностях и на этой основе ставить конкретные задачи специалистам - химикам и понимать смысл полученных результатов анализа.
Литература
Алесковский В.Б. и др. Физико-химические методы анализа. Л-д, "Химия", 1988 г.
Ю.С.Ляликов. Физико-химические методы анализа. М.,изд-во "Химия", 1974 г.
Васильев В.П. Теоретические основы физико-химических методов анализа.М., Высшая школа, 1979 г.
А.Д.Зимон, Н.Ф.Лещенко. Коллоидная химия. М., "Агар", 2001 г.
А.И.Мишустин, К.Ф.Белоусова. Коллоидная химия (Методическое пособие). Изд-во МИХМ, 1990 г.
Первые две книги являются учебниками для студентов-химиков и поэтому достаточно сложные для вас. Это делает данные лекции весьма полезными. Однако можно читать отдельные главы.
К сожалению, для данного курса администрация пока не выделила отдельного зачёта, поэтому материал входит в общий экзамен, вместе с курсом физической химии.
Различают качественный и количественный анализ. Первый определяет наличие тех или иных компонентов, второй - их количественное содержание. Методы анализа подразделяются на химические и физико-химические. В данной лекции рассмотрим только химические методы, которые основаны на превращении анализируемого вещества в соединения, обладающие определенными свойствами.
При качественном анализе неорганических соединений исследуемый образец переводят в жидкое состояние растворением в воде или растворе кислоты или щёлочи, что позволяет обнаруживать элементы в форме катионов и анионов. Например, ионы Cu 2+ можно определить по образованию комплексного иона 2+ ярко-синего цвета.
Качественный анализ подразделяют на дробный и систематический. Дробный анализ- обнаружение нескольких ионов в смеси с приблизительно известным составом.
Систематический анализ - это полный анализ по определенной методике последовательного обнаружения индивидуальных ионов. Выделяют отдельные группы ионов со сходными свойствами посредством групповых реагентов, затем группы ионов подразделяют на подгруппы, а те, в свою очередь, - на отдельные ионы, которые и обнаруживают при помощи т.н. аналитических реакций. Это реакции с внешним эффектом - выпадением осадка, выделением газа, изменением цвета раствора.
Свойства аналитических реакций - специфичность, избирательность и чувствительность .
Специфичность позволяет обнаружить данный ион в присутствии других ионов по характерному признаку (цвет, запах и т.п.). Таких реакций сравнительно немного (например, реакция обнаружения иона NH 4 + действием на вещество щелочи при нагревании). Количественно специфичность реакции оценивается величиной предельного отношения, равного отношению концентраций определяемого иона и мешающих ионов. Например, капельная реакция на ион Ni 2+ действием диметилглиоксима в присутствии ионов Co 2+ удается при предельном отношении Ni 2+ к Co 2+ , равном 1:5000.
Избирательность (или селективность) реакции определяется тем, что сходный внешний эффект дают лишь несколько ионов. Bзбирательность тем больше, чем меньше число ионов, дающих сходный эффект.
Чувствительность реакции характеризуется пределом обнаружения или пределом разбавления. Например, предел обнаружения в микрокристаллоскопической реакции на ион Ca 2+ действием серной кислоты равен 0,04 мкг Ca 2+ в капле раствора.
Более сложная задача - анализ органических соединений. Углерод и водород определяют после сжигания пробы, регистрируя выделившийся углекислый газ и воду. Существуют ряд приемов для обнаружения других элементов.
Классификация методов анализа по количеству.
Компоненты подразделяют на основные (1 - 100% по массе), неосновные (0,01 - 1% по массе) и примесные или следовые (менее 0,01% по массе).
В зависимости от массы и объема анализируемого образца различают макроанализ (0,5 - 1 г или 20 - 50 мл),
полумикроанализ (0,1 - 0,01 г или 1,0 - 0,1 мл),
микроанализ (10 -3 - 10 -6 г или 10 -1 - 10 -4 мл),
ультрамикроанализ (10 -6 - 10 -9 г, или 10 -4 - 10 -6 мл),
субмикроанализ (10 -9 - 10 -12 г или 10 -7 - 10 -10 мл).
Классификация по природе определяемых частиц:
1.изотопный (физический) - определяются изотопы
2. элементный или атомный - определяется набор химических элементов
3. молекулярный - определяется набор молекул, из которых состоит образец
4. структурно-групповой (промежуточный между атомным и молекулярным) - определяются функциональных группы в молекулах органических соединений.
5. фазовый - анализируются компоненты неоднородных объектов (например минералов).
Другие виды классификации анализа:
Валовой и локальный.
Деструктивный и не деструктивный.
Контактный и дистанционный.
Дискретный и непрерывный.
Важные характеристики аналитической процедуры - экспрессность метода (быстрота проведения анализа), стоимость анализа, возможность его автоматизации.
