1. ВВЕДЕНИЕ
2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ
4. МЕТОДЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ 4.1. МЕТОДЫ МАСКИРОВАНИЯ, РАЗДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ 4.2. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 4.3. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 4.4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 4.5. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 4.6. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 4.7. МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ОСНОВАННЫЕ НА РАДИОАКТИВНОСТИ 4.8. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 4.9. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. ВВЕДЕНИЕ 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.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ 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 106. 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 ?-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.
Название метода Регистрируемый параметр Термогравиметрия Изменение массы Термический и дифференциальныйтермический анализ Выделяемая или поглощаемая теплота Термометрическое титрование Изменение температуры Энтальпиметрия Выделяемая или поглощаемая теплота Дилатометрия Изменение температуры Катарометрия Изменение температуры
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».
6. 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.
Методы аналитической химии
15
www.ronl.ru
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ
4. МЕТОДЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
4.1. МЕТОДЫ МАСКИРОВАНИЯ, РАЗДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ
4.2. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.3. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.5. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.6. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.7. МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ОСНОВАННЫЕ НА РАДИОАКТИВНОСТИ
4.8. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.9. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕХимический 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.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВВсе 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 106. 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.
| Название метода | Регистрируемый параметр |
| Термогравиметрия | Изменение массы |
| Термический и дифференциальный термический анализ | Выделяемая или поглощаемая теплота |
| Термометрическое титрование | Изменение температуры |
| Энтальпиметрия | Выделяемая или поглощаемая теплота |
| Дилатометрия | Изменение температуры |
| Катарометрия | Изменение температуры |
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.
www.neuch.ru
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ
4. МЕТОДЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
4.1. МЕТОДЫ МАСКИРОВАНИЯ, РАЗДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ
4.2. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.3. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.5. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.6. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.7. МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ОСНОВАННЫЕ НА РАДИОАКТИВНОСТИ
4.8. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.9. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫХимический 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 106. 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.
| Название метода | Регистрируемый параметр |
| Термогравиметрия | Изменение массы |
| Термический и дифференциальный термический анализ | Выделяемая или поглощаемая теплота |
| Термометрическое титрование | Изменение температуры |
| Энтальпиметрия | Выделяемая или поглощаемая теплота |
| Дилатометрия | Изменение температуры |
| Катарометрия | Изменение температуры |
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.
www.km.ru
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ
4. МЕТОДЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
4.1. МЕТОДЫ МАСКИРОВАНИЯ, РАЗДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ
4.2. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.3. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.5. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.6. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.7. МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ОСНОВАННЫЕ НА РАДИОАКТИВНОСТИ
4.8. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.9. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
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 106. 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.
|
Название метода |
Регистрируемый параметр |
|
Термогравиметрия |
Изменение массы |
|
Термический и дифференциальный термический анализ |
Выделяемая или поглощаемая теплота |
|
Термометрическое титрование |
Изменение температуры |
|
Энтальпиметрия |
Выделяемая или поглощаемая теплота |
|
Дилатометрия |
Изменение температуры |
|
Катарометрия |
Изменение температуры |
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.
www.referatmix.ru
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙСИГНАЛ
4. МЕТОДЫАНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
4.1. МЕТОДЫМАСКИРОВАНИЯ, РАЗДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ
4.2.ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.3. ХИМИЧЕСКИЕМЕТОДЫ
4.4.ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.5.СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.6.МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.7. МЕТОДЫАНАЛИЗА, ОСНОВАННЫЕ НА РАДИОАКТИВНОСТИ
4.8. ТЕРМИЧЕСКИЕМЕТОДЫ
4.9.БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕХимический анализ служитсредством контроля производства и качества продукции в ряде отраслей народногохозяйства. На результатах анализа в различной степени базируется разведкаполезных ископаемых. Анализ – главное средство контроля за загрязненностьюокружающей среды. Выяснение химического состава почв, удобрений, кормов исельскохозяйственной продукции важно для нормально функционированияагропромышленного комплекса. Химический анализ незаменим в медицинскойдиагностике, биотехнологии. От уровня химического анализа, оснащенностилаборатории методами, приборами и реактивами зависит развитие многих наук.
Научная основа химическогоанализа – аналитическая химия, наука, которая в течение столетий была частью, аиногда и основной частью химии.
Аналитическая химия – этонаука об определении химического состава веществ и отчасти их химическогостроения. Методы аналитической химии позволяют отвечать на вопросы о том, изчего состоит вещество, какие компоненты входят в его состав. Эти методы частодают возможность узнать, в какой форме данный компонент присутствует ввеществе, например установить степень окисления элемента. Иногда возможно оценитьпространственное расположение компонентов.
При разработке методов частоприходится заимствовать идеи из смежных областей науки и приспосабливать их ксвоим целям. В задачу аналитической химии входит разработка теоретических основметодов, установление границ их применимости, оценка метрологических и другиххарактеристик, создание методик анализа различных объектов.
Методы и средства анализапостоянно изменяются: привлекаются новые подходы, используются новые принципы,явления, часто из далеких областей знания.
Под методом анализа понимаютдостаточно универсальный и теоретически обоснованный способ определения составабезотносительно к определяемому компоненту и к анализируемому объекту. Когдаговорят о методе анализа, имеют в виду принцип, положенный в основу,количественное выражение связи между составом и каким-либо измеряемымсвойством; отобранные приемы осуществления, включая выявление и устранениепомех; устройства для практической реализации и способы обработки результатовизмерений. Методика анализа – это подробное описание анализа данного объекта сиспользованием выбранного метода.
Можно выделить три функциианалитической химии как области знания:
1. решение общих вопросов анализа,
2. разработка аналитических методов,
3. решение конкретных задач анализа.
Так же можно выделить качественныйи количественный анализы. Первый решает вопрос о том, какие компонентывключает анализируемый объект, второй дает сведения о количественном содержаниивсех или отдельных компонентов.
2. КЛАССИФИКАЦИЯМЕТОДОВВсе существующие методыаналитической химии можно разделить на методы пробоотбора, разложения проб,разделения компонентов, обнаружения (идентификации) и определения. Существуютгибридные методы, сочетающие разделение и определение. Методы обнаружения иопределения имеют много общего.
Наибольшее значение имеютметоды определения. Их можно классифицировать по характеру измеряемого свойстваили способу регистрации соответствующего сигнала. Методы определения делятся нахимические, физические и биологические. Химические методыбазируются на химических (в том числе электрохимических) реакциях. Сюда можноотнести и методы, называемые физико-химическими. Физические методы основаны нафизических явлениях и процессах, биологические – на явлении жизни.
Основныетребования к методам аналитической химии: правильность и хорошаявоспроизводимости результатов, низкий предел обнаружения нужных компонентов,избирательность, экспрессность, простота анализа, возможность егоавтоматизации.
Выбирая методанализа, необходимо четко знать цель анализа, задачи, которые нужно при этомрешить, оценить достоинства и недостатки доступных методов анализа.
3. АНАЛИТИЧЕСКИЙСИГНАЛ
После отбора иподготовки пробы наступает стадия химического анализа, на которой и проводятобнаружение компонента или определение его количества. С этой целью измеряют аналитическийсигнал. В большинстве методов аналитическим сигналом является среднее изизмерений физической величины на заключительной стадии анализа, функциональносвязанной с содержанием определяемого компонента.
В случаенеобходимости обнаружения какого-либо компонента обычно фиксируют появлениеаналитического сигнала – появление осадка, окраски, линии в спектре и т.д.Появление аналитического сигнала должно быть надежно зафиксировано. Приопределении количества компонента измеряется величина аналитическогосигнала – масса осадка, сила тока, интенсивность линии спектра и т.д.
4. МЕТОДЫАНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
4.1. МЕТОДЫМАСКИРОВАНИЯ, РАЗДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ
Маскирование.
Маскирование –это торможение или полное подавление химической реакции в присутствии веществ,способных изменить ее направление или скорость. При этом не происходитобразование новой фазы. Различают два вида маскирование – термодинамическое(равновесное) и кинетическое (неравновесное). При термодинамическоммаскировании создаются условия, при которых условная константа реакциипонижается до такой степени, что реакция идет незначительно. Концентрациямаскируемого компонента становится недостаточной для того, что бы надежнозафиксировать аналитический сигнал. Кинетическое маскирование основано наувеличении разницы между скоростями реакции маскируемого и определяемоговеществ с одним и тем же реагентом.
Разделение иконцентрирование.
Необходимостьразделения и концентрирования может быть обусловлена следующими факторами:проба содержит компоненты, мешающие определению; концентрация определяемогокомпонента ниже предела обнаружения метода; определяемые компонентынеравномерно распределены в пробе; отсутствуют стандартные образцы для градуировкиприборов; 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 иликоличества микрокомпонентов к концентрации или количеству макрокомпонента.
Осаждение исоосаждение.
Осаждение, какправило, применяют для разделения неорганических веществ. Осаждениемикрокомпонентов органическими реагентами, и особенно их соосаждение,обеспечивают высокий коэффициент концентрирования. Эти методы используют вкомбинации с такими методами определения, которые рассчитаны на получениеаналитического сигнала от твердых образцов.
Разделение путемосаждения основано на различной растворимости соединений, преимущественно вводных растворах.
Соосаждение –это распределение микрокомпонента между раствором и осадком.
Экстракция.
Экстракция – этофизико-химический процесс распределения вещества между двумя фазами, чаще всегомежду двумя несмешивающимися жидкостями. Так же это процесс массопереноса схимическими реакциями.
Экстракционныеметоды пригодны для концентрирования, извлечения микрокомпонентов илимакрокомпонентов, индивидуального и группового выделения компонентов прианализе разнообразных промышленных и природных объектов. Метод прост и быстр ввыполнении, обеспечивает высокую эффективность разделения и концентрирования исовместим с разными методами определения. Экстракция позволяет изучатьсостояние веществ в растворе при различных условиях, определятьфизико-химические характеристики.
Сорбция.
Сорбцию хорошоиспользуют для разделения и концентрирования веществ. Сорбционные методы обычнообеспечивают хорошую селективность разделения, высокие значения коэффициентовконцентрирования.
Сорбция – процесспоглощения газов, паров и растворенных веществ твердыми или жидкимипоглотителями на твердом носителе (сорбентами).
Электролитическоевыделение и цементация.
Наиболеераспространен метод электоровыделения, при котором отделяемое иликонцентрированное вещество выделяют на твердых электродах в элементарномсостоянии или в виде какого-то соединения. Электролитическое выделение(электролиз) основано на осаждении вещества электрическим током приконтролируемом потенциале. Наиболее распространен вариант катодного осажденияметаллов. Материалом электродов может служить углерод, платина, серебро, медьвольфрам и т.д.
Электрофорез основан наразличиях в скоростях движения частиц разного заряда, формы и размера в электрическомполе. Скорость движения зависит от заряда, напряженности поля и радиуса частиц.Различают два варианта электрофореза: фронтальный (простой) и зонный (наносителе). В первом случае небольшой объем раствора, содержащего разделяемыекомпоненты, помещают в трубку с раствором электролита. Во втором случаепередвижение происходит в стабилизирующей среде, которая удерживает частицы наместах после отключения электрического поля.
Метод цементациизаключается в восстановлении компонентов (обычно малых количеств) на металлах сдостаточно отрицательными потенциалами или альмагамах электроотрицательныхметаллов. При цементации происходит одновременно два процесса: катодный(выделение компонента) и анодный (растворение цементирующего металла).
Методыиспарения.
Методы дистилляцииоснованы на разной летучести веществ. Вещество переходит из жидкого состояния вгазообразное, а затем конденсируется, образуя снова жидкую или иногда твердуюфазу.
Простая отгонка(выпаривание)– одноступенчатый процесс разделения и концентрирования. При выпариванииудаляются вещества, которые находятся в форме готовых летучих соединений. Этомогут быть макрокомпоненты и микрокомпоненты, отгонку последних применяют реже.
Возгонка(сублимация) — перевод вещества из твердого состояния в газообразное и последующее осаждениеего в твердой форме (минуя жидкую фазу). К разделению возгонкой прибегают, какправило, если разделяемые компоненты трудно плавятся или трудно растворимы.
Управляемаякристаллизация.
При охлаждениираствора, расплава или газа происходит образование зародышей твердой фазы –кристаллизация, которая может быть неуправляемой (объемной) и управляемой. Принеуправляемой кристаллизации кристаллы возникают самопроизвольно во всемобъеме. При управляемой кристаллизации процесс задается внешними условиями(температура, направление движения фаз и т.п.).
Различают двавида управляемой кристаллизации: направленную кристаллизацию (в заданномнаправлении) и зонную плавку (перемещение зоны жидкости в твердом теле вопределенном направлении).
При направленнойкристаллизации возникает одна граница раздела между твердым телом и жидкостью –фронт кристаллизации. В зонной плавке две границы: фронт кристаллизации и фронтплавления.
4.2.ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Хроматография –наиболее часто используемый аналитический метод. Новейшими хроматографическимиметодами можно определять газообразные, жидкие и твердые вещества смолекулярной массой от единиц до 106. Это могут быть изотопыводорода, ионы металлов, синтетические полимеры, белки и др. С помощьюхроматографии получена обширная информация о строении и свойствах органическихсоединений многих классов.
Хроматография – этофизико-химический метод разделения веществ, основанный на распределениикомпонентов 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 фазапредставляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу.
Метод позволяетразделять многокомпонентную смесь, идентифицировать компоненты и определять ееколичественный состав.
Хроматографическиеметоды классифицируют по следующим признакам:
а) поагрегатному состоянию смеси, в котором производят ее разделение на компоненты –газовая, жидкостная и газожидкостная хроматография;
б) по механизмуразделения – адсорбционная, распределительная, ионообменная, осадочная,окислительно-восстановительная, адсорбционно — комплексообразовательнаяхроматография;
в) по формепроведения хроматографического процесса – колоночная, капиллярная, плоскостная(бумажная, тонкослойная и мембранная).
4.3. ХИМИЧЕСКИЕМЕТОДЫ
В основехимических методов обнаружения и определения лежат химические реакции трехтипов: кислотно-основные, окислительно-восстановительные икомплексообразования. Иногда они сопровождаются изменением агрегатногосостояния компонентов. Наибольшее значение среди химических методов имеютгравиметрический и титриметрический. Эти аналитические методы называютсяклассическими. Критериями пригодности химической реакции как основыаналитического метода в большинстве случаев являются полнота протекания ибольшая скорость.
Гравиметрическиеметоды.
Гравиметрическийанализ заключается в выделении вещества в чистом виде и его взвешивании. Чащевсего такое выделение проводят осаждением. Реже определяемый компонент выделяютв виде летучего соединения (методы отгонки). В ряде случаев гравиметрия –лучший способ решения аналитической задачи. Это абсолютный (эталонный) метод.
Недостаткомгравиметрический методов является длительность определения, особенно присерийных анализах большого числа проб, а так же неселективность –реагенты-осадители за небольшим исключением редко бывают специфичны. Поэтомучасто необходимы предварительные разделения.
Аналитическимсигналов в гравиметрии является масса.
Титриметрическиеметоды.
Титриметрическимметодом количественного химического анализа называют метод, основанный наизмерении количества реагента В, затраченного на реакцию с определяемымкомпонентом А. Практически удобнее всего прибавлять реагент в виде егораствора точно известной концентрации. В таком варианте титрованием называютпроцесс непрерывного добавления контролируемого количества раствора реагентаточно известной концентрации (титрана) к раствору определяемого компонента.
В титриметриииспользуют три способа титрования: прямое, обратное и титрование заместителя.
Прямоетитрование –это титрование раствора определяемого вещества А непосредственно растворомтитрана В. Его применяют в том случае, если реакция между А и В протекаетбыстро.
Обратноетитрование заключаетсяв добавлении к определяемому веществу А избытка точно известного количествастандартного раствора В и после завершения реакции между ними, титрованииоставшегося количества В раствором титрана В’. Этот способприменяют в тех случаях, когда реакция между А и В протекает недостаточнобыстро, либо нет подходящего индикатора для фиксирования точки эквивалентностиреакции.
Титрование позаместителю заключаетсяв титровании титрантом В не определяемого количества вещества А, аэквивалентного ему количества заместителя А’, получающегосяв результате предварительно проведенной реакции между определяемым веществом Аи каким-либо реагентом. Такой способ титрования применяют обычно в тех случаях,когда невозможно провести прямое титрование.
Кинетическиеметоды.
Кинетическиеметоды основаны на использовании зависимости скорости химической реакции отконцентрации реагирующих веществ, а в случае каталитических реакций и отконцентрации катализатора. Аналитическим сигналом в кинетических методахявляется скорость процесса или пропорциональная ей величина.
Реакция,положенная в основу кинетического метода, называется индикаторной. Вещество, поизменению концентрации которого судят о скорости индикаторного процесса, — индикаторным.
Биохимическиеметоды.
Средисовременных методов химического анализа важное место занимают биохимическиеметоды. К биохимическим методам относят методы, основанные на использованиипроцессов, происходящих с участием биологических компонентов (ферментов,антител и т.п.). Аналитическим сигналом при этом чаще всего являются либоначальная скорость процесса, либо конечная концентрация одного из продуктовреакции, определяемая любым инструментальным методом.
Ферментативныеметоды основанына использовании реакций, катализируемых ферментами – биологическимикатализаторами, отличающимися высокой активностью и избирательностью действия.
Иммунохимическиеметодыанализа основаны на специфическом связывании определяемого соединения –антигена соответствующими антителами. Иммунохимическая реакция в растворе междуантителами и антигенами – сложный процесс, протекающий в несколько стадий.
4.4.ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Электрохимическиеметоды анализа и исследования основаны на изучении и использовании процессов,протекающих на поверхности электрода или в приэлектродном пространстве. Любойэлектрический параметр (потенциал, сила тока, сопротивление и др.),функционально связанный с концентрацией анализируемого раствора и поддающийсяправильному измерению, может служить аналитическим сигналом.
Различаютпрямые и косвенные электрохимические методы. В прямых методах используютзависимость силы тока (потенциала и т.д.) от концентрации определяемогокомпонента. В косвенных методах силу тока (потенциал и т.д.) измеряют с цельюнахождения конечной точки титрования определяемого компонента подходящимтитрантом, т.е. используют зависимость измеряемого параметра от объематитранта.
Для любогорода электрохимических измерений необходима электрохимическая цепь илиэлектрохимическая ячейка, составной частью которой является анализируемыйраствор.
Существуютразличные способы классификации электрохимических методов – от очень простых доочень сложных, включающих рассмотрение деталей электродных процессов.
4.5.СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Кспектроскопическим методам анализа относят физические методы, основанные навзаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействиеприводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментальнов виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения.
4.6.МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
Масс-спектрометрическийметод анализа основан на ионизации атомов и молекул излучаемого вещества ипоследующем разделении образующихся ионов в пространстве или во времени.
Наиболее важноеприменение масс-спектрометрия получила для идентификации и установленияструктуры органических соединений. Молекулярный анализ сложных смесейорганических соединений целесообразно проводить после их хроматографическогоразделения.
4.7. МЕТОДЫАНАЛИЗА, 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 проведенииразнообразных анализов, в том числе в промышленности и геологической службе.Эти методы весьма многочисленны и разнообразны. Можно выделить четыре основныегруппы: радиоактивный анализ; методы изотопного разбавления и другиерадиоиндикаторные методы; методы, основанные на поглощении и рассеянииизлучений; чисто радиометрические методы. Наибольшее распространение получил радиоактивационныйметод. Этот метод появился после открытия искусственной радиоактивности иоснован на образовании радиоактивный изотопов определяемого элемента приоблучении пробы ядерными или g-частицамии регистрации полученной при активации искусственной радиоактивности.
4.8. ТЕРМИЧЕСКИЕМЕТОДЫ
Термическиеметоды 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 степениприменяются методы, основанные на выделении или поглощении теплоты в результатефизических процессов. Это процессы, связанные с переходом вещества из одноймодификации в другую, с изменением агрегатного состояния и другими изменениямимежмолекулярного взаимодействия, например, происходящими при растворении илиразбавлении. В таблице приведены наиболее распространенные методы термическогоанализа.
Название метода Регистрируемый параметр Термогравиметрия Изменение массыТермический и дифференциальный
термический анализ
Выделяемая или поглощаемая теплота Термометрическое титрование Изменение температуры Энтальпиметрия Выделяемая или поглощаемая теплота Дилатометрия Изменение температуры Катарометрия Изменение температурыТермическиеметоды успешно используются для анализа металлургических материалов, минералов,силикатов, а так же полимеров, для фазового анализа почв, определениясодержания влаги в пробах.
4.9.БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Биологическиеметоды анализа основаны на том, что для жизнедеятельности – роста, размноженияи вообще нормального функционирования живых существ необходима среда строгоопределенного химического состава. При изменении этого состава, например, приисключении из среды какого-либо компонента или введении дополнительного(определяемого) соединения организм через какое-то время, иногда практическисразу, подает соответствующий ответный сигнал. Установление связи характера илиинтенсивности ответного сигнала организма с количеством введенного в среду илиисключенного из среды компонента служит для его обнаружения и определения.
Аналитическимииндикаторами в биологических методах являются различные живые организмы, ихорганы и ткани, физиологические функции и т.д. В роли индикаторного организмамогут выступать микроорганизмы, беспозвоночные, позвоночные, а так же растения.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Значениеаналитической химии определяется необходимостью общества в аналитическихрезультатах, в установлении качественного и количественного состава веществ,уровнем развития общества, общественной потребностью в результатах анализа, также и уровнем развития самой аналитической химии.
Цитата изучебника по аналитической химии Н.А.Меншуткина 1897 года выпуска: «Представиввесь ход занятий по аналитической химии в виде задач, решение которыхпредоставлено занимающемуся, мы должны указать на то, что для подобного решениязадач аналитическая химия даст строго определенный путь. Эта определенность(систематичность решения задач аналитической химии) имеет большоепедагогическое значение.Занимающийсяприучается при этом применять свойства соединений к решению вопросов, выводитьусловия реакций, комбинировать их. Весь этот ряд умственных процессов можновыразить так: аналитическая химия приучает химически думать. Достижениепоследнего представляется самым важным для практических занятий аналитическойхимией».
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙЛИТЕРАТУРЫ
1. К.М.Ольшанова, С.К. Пискарева, К.М.Барашков«Аналитическая химия», Москва, «Химия», 1980 г.
2. «Аналитическаяхимия. Химические методы анализа», Москва, «Химия», 1993 г.
3. «Основыаналитической химии. Книга 1», Москва, «Высшая школа», 1999 г.
4. «Основы аналитическойхимии. Книга 2», Москва, «Высшая школа», 1999 г.
www.ronl.ru
1
Введение
Аналитическая химия, аналитика – что это такое? Чтобы ответить на этот вопрос, будем отвечать на другой: “Что должен уметь аналитик и какие бывают аналитики?” На первый взгляд это просто. Аналитики должны уметь делать анализы. Однако не будем спешить с ответом.
Есть аналитик–исследователь, занимающийся развитием аналитической химии, как науки. Его задача - прежде всего создавать, совершенствовать, теоретически обосновывать методы анализа, придумывать, конструировать средства химического анализа: аналитические приборы, реактивы и стандартные образцы, кроме того аналитик–исследователь создает методики анализа конкретных объектов
Есть аналитик-практик. Вот он как раз и выполняет анализы, как редкие, уникальные, нестандартные, так и массовые, простые, рутинные.
Имеется и еще одна категория аналитиков, выполняющих анализы не постоянно, а эпизодически при необходимости. Это могут быть химики-органики, физхимики, и не только химики, но и физики, биологи, технологи, врачи, агрономы и т. д.
Большинство из вас (около 60%) окажутся в этой категории. Около 35% выпускников химфака станут аналитиками - практиками. И лишь около 5% из вас станут аналитиками – исследователями. Статистика по выпускникам химфака БГУ, работающих за рубежом, несколько иная. Не менее половины наших химиков находят себе работу в качестве аналитиков – практиков, а это - одна из наиболее хорошо обеспечиваемых специальностей.
Сказанное позволяет сформулировать два понятия: “аналитическая химия” и “аналитическая служба”.
Аналитическая химия – это наука об определении химического состава вещества и отчасти его строения. В ее задачи входит разработка теоретических основ и конкретных методов и методик анализа. При этом многие идеи, даже готовые разработки, заимствуются из смежных областей науки, и не только химии, но и физики, биологии, математики.
Аналитическая служба – это сервисная система, обеспечивающая анализ объектов с использованием методов и методик, рекомендуемых аналитической химией. Сфера аналитической службы не всегда связана с методической работой, созданием и усовершенствованием методов и методик анализа или даже адаптацией их к конкретным объектам.
Однако аналитик–практик не может стать хорошим специалистом, не занимаясь методической работой, исследованиями в области аналитической химии, не владея ее теоретическими основами.
С другой стороны аналитик-исследователь должен быть хорошим практиком, иначе он не в состоянии разработать методики, удобные в пользовании.
Все эти особенности учтены при формировании программы общего университетского курса “аналитическая химия”, в котором сочетаются как теоретические основы методов анализа, так и конкретные методики анализа основных объектов.
Те из Вас, кто выберет специализацию “Аналитическая химия” на кафедре аналитической химии будут, скорее всего, работать в качестве химиков - исследователей, либо химиков–практиков, руководителей химико-аналитических лабораторий. Все это учитывается в программах специальных курсов по аналитической химии.
Исторический экскурс в аналитическую химию.
Аналитическая химия – одна из самых древних химий.
Еще древнегреческие натурфилософы пытались найти объяснение разнообразных явлений природы и процессов и внесли значительный вклад в развитие аналитической химии. В I веке до н.э. Плиний Старший в “Естественной истории” подробно изложил представления философов о составе и свойствах веществ. В этих трудах описано использование экстракта дубильных веществ для определения железа.
Архимед (287-212 до н.э.), величайший физик и математик определил концентрацию веществ по плотности, ареометр был первым аналитическим прибором.
Теофраст (372-287 до н.э.), древнегреческий философ и естествоиспытатель писал об определении золота с помощью пробных камней.
В XIV веке король Франции Филипп VI описал способ определения золота купелированием.
В XVII Роберт Бойль (1627-1691), знаменитый английский химик, физик и философ описал процессы экстракции и осаждения.
Выдающийся французский химик Лавуазье (1743-1794) правильно объяснил обжигание металлов и установил состав воздуха и воды.
Знаменитый шведский химик Берцелиус (1779-1848) разработал анализ неорганических и органических соединений и метрологию анализа.
Гей-Люссак (1778-1850), один из крупнейших французских химиков и физиков был одним из основателей объемного анализа.
Немецкий физик Кирхгоф (1824-1887) в 1859 году совместно с Бунзеном (1811-1899) положил начало разработке атомно-эмиссионного анализа.
Немецкий химик и философ Оствальд (1853-1932) в 1894 году разработал теорию растворов.
В 1903 году русский ученый Цвет М.С. создал метод хроматографического адсорбционного анализа.
Аналитическая химия
Физико-химические методы анализа. Структура курса.
Аналитическая химия – наука о методах и средствах установления состава веществ. Целями анализа является либо установление наличия того или иного компонента (атома, молекулы, иона , или группы атомов, молекул, ионов) в веществе – качественный анализ, либо определение с надежной точностью его концентрации – количественный анализ.
В случае, когда объект анализа неоднороден, осуществляют фазовый либо локальный анализ.
Важнейшими разделами аналитической химии являются вопросы, имеющие наибольшее значение для выполнения анализов. К ним относятся пробоотбор, пробоподготовка, методы анализа, методы математической обработки результатов измерений (химическая метрология).
Основной задачей пробоотбора является получение представительной пробы – небольшого, необходимого для выполнения анализа количества вещества, состав которого в пределах допустимых погрешностей соответствует составу всего объекта, либо его какой-то части в соответствии с целями анализа. В ряде случаев, когда объект анализа однороден, стабилен по составу, отбор представительной пробы несложен. Однако чаще состав анализируемого объекта непостоянен во времени и пространстве, что требует специальных приемов для отбора представительной пробы.
Консервирование проб охлаждением, либо применением химических реагентов осуществляется в некоторых случаях. Цель консервирования – не допустить изменения состава проб в промежутке времени между их отбором и анализом.
Пробоподготовка осуществляется с целями вскрытия определяемого компонента, отделения его от мешающих компонентов, концентрирования и перевода в аналитико-активную форму. Вскрытие определяемого компонента осуществляется, чаще всего, путем перевода его в растворимое состояние действием химических реагентов, нагреванием до высоких температур, облучением и т.д. Задачи выделения определяемого компонента из пробы, отделения его от основы и концентрирования его осуществляются методами осаждения, экстракции, ионного обмена, хроматографии, дистилляции и др. Достаточно часто при анализе возникает задача перевода определяемого компонента в форму, пригодную для получения аналитического сигнала. Для этого используются реакции, переводящие определяемый компонент в осадок, газообразное состояние, окрашенное соединение, либо другую форму под действием специальных, чаще органических, реагентов, нагревания и др.
Безусловно, главными в аналитической химии являются методы количественного анализа. В классической аналитической химии (17-19 век) использовалась преимущественно гравиметрический и объемный методы анализа. Экспериментальные основы гравиметрии заложены во времена, когда она применялась для определения золота, серебра, других благородных и неблагородных металлов. Первое упоминание о применении гравиметрии для контроля чистоты золотых монет найдено в письме царя Вавилона фараону Аменотисту в 13 в. но нашей эры. Гравиметрия основана на реакциях осаждения и таких приемах “доведения” до весовой формы, как прокаливание, купелирование и других, и заканчивается взвешиванием. В настоящее время этот метод потеснен другими (более быстрыми) методами, но до конца не утратил своего значения и применяется в тех случаях, когда необходима высокая точность. Например, золото в сплавах гравиметрически можно определить с ошибкой не более 0,01 % относительных. Такой точности в анализе невозможно достичь другими методами.
Становление объемного или титриметрического анализа связывают с работами Гей-Люссака. В основе метода лежат реакции титруемого вещества и титранта. По количеству последнего находят концентрации определяемого компонента. Титрование осуществляют до точки эквивалентности, которую определяют визуально по появлению либо исчезновению окраски, а также с помощью приборов по резкому изменению какого-либо сигнала. Чаще используют реакции кислотно-основные, комплексообразования, окислительно-восстановительные, осаждения. Метод отличается сравнительно высокой точностью. Обычно ошибка определения не превышает + 1%. Метод широко применяется в низовых производственных аналитических лабораториях, где нерационально размещать дорогостоящее оборудование.
Основу современной аналитической химии составляют физико-химические методы анализа. В первую очередь, это оптические, хроматографические и электрохимические методы
Оптические методы подразделяются на две группы - эмиссионные и абсорбционные. Важнейшим эмиссионным методом является атомно-эмиссионный, который основан на измерении интенсивности излучения возбужденными атомами либо ионами. Фундамент эмиссионного анализа заложен в работах Ньютона (1606-1630). Этот метод интенсивно развивается в девятнадцатом веке. Возбуждение атомов осуществляется в пламени под воздействием высокой температуры, в искре, в индукционно-связанной плазме и другими методами. Регистрация излучения осуществляется с помощью фотоэлементов, оптических диодов либо фотографически. Метод пригоден для определения металлов, отличается высокой чувствительностью и приемлемой точностью. Широко применяется в промышленности, экологии, сельском хозяйстве.
Самым распространенным, широко применяемым в настоящее время является молекулярно-абсорбционный метод анализа, основанный на измерении интенсивности поглощения видимого, либо УФ-излучения раствором вещества.
Для регистрации оптической плотности используются фотоэлектроколориметры и спектрофотометры. В основе метода лежит закон Бугера-Ламберта-Беера, показывающий связь оптической плотности с концентрацией. Определение концентрации осуществляется методом градуировочного графика, который строят по эталонным растворам. В этом методе широко используются как неорганические, так и органические реагенты для перевода бесцветных соединений в окрашенные. Широкое применение нашли экстракционно-фотометрические методы, основанные на применении экстракции для получения окрашенных форм и их последующем фотометрировании. Метод отличается высокой чувствительностью, неплохой точностью, широко применяется в промышленности, экологии, медицине, сельском хозяйстве. На долю этого метода приходится до 50% всех определений.
Атомно-абсорбционный анализ основан на измерении интенсивности поглощения излучения специального источника - лампы с полым катодом, атомами вещества, находящимися в газовой фазе. Изобретение лампы с полым катодом, осуществленное в 1952 году, считается датой происхождения метода. Атомизация осуществляется в пламенах, электротермическим и другими методами. Метод отличается высокой чувствительностью, достаточной точностью и широко применяется для определения элементов в экологии, сельском хозяйстве и промышленности.
Хроматографические методы основаны на разделении веществ в двухфазовых системах. Одна из фаз неподвижная, а вторая – подвижная.
Разновидностью метода является хромато-масс-спектральный анализ, имеющий огромные возможности в анализе сложных смесей органических веществ.
Метод отличается высокой информативностью и широко применяется в нефтехимии, органическом синтезе, экологии и др.
Основу электрохимических методов составляет потенциометрия, основанная на измерении потенциала электродного датчика, опущенного в анализируемый раствор. Современная потенциометрия базируется на применении ионоселективных электродов, потенциал которых избирательно зависит от концентрации определенных ионов. Сейчас описано примерно 500 различных ИСЭ для определения различных веществ (белков, ферментов, азотсодержащих и др) и, преимущественно, ионов Ca2+ , Mg2+, Na+, K+, Cl- и др).
Несколько слов о термине “аналитика”. Давно велись дискуссии, можно ли называть аналитической химией, например, радиоактивационный анализ. Можно рассуждать так: если химия в анализе не используется, значит это не аналитическая химия, и учить ее химикам незачем. Это физика, и ее должны изучать физики. С тем, что этот метод не химия спорить незачем, спорно второе. Ведь радиоактивационный метод решает задачу установления химического состава вещества, а, значит, по решаемым задачам является проблемой аналитической химии, и знать его химикам необходимо. Однако, в результате дискуссии предложено расширить название науки, назвав ее аналитикой, которая включает аналитическую химию и аналитическую физику.
Огромное значение в развитии аналитики имеет техника. Ее уровень часто лимитирует уровень современной приборной аналитики.
Разработка потенциометрических, фотометрических и, в меньшей мере, атомно-абсорбционных и хроматографических методов анализа - это основа работы коллектива кафедры аналитической химии и тесно связанной с ней лабораторией экстракции и ионометрии НИИ ФХП БГУ.
student.zoomru.ru
