ОГЛАВЛЕНИЕ1. ВВЕДЕНИЕ2. КЛАССИФИКАЦИЯМЕТОДОВ
3.АНАЛИТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ
4. МЕТОДЫАНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
4.1. МЕТОДЫМАСКИРОВАНИЯ, 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. МЕТОДЫАНАЛИЗА, ОСНОВАННЫЕ НА РАДИОАКТИВНОСТИ
4.8.ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4.9.БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА5.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. ВВЕДЕНИЕ
Химическийанализ служит средством контроля производства и качества продукции в рядеотраслей народного хозяйства. На результатах анализа в различной степенибазируется разведка полезных ископаемых. Анализ – главное средство контроля зазагрязненностью окружающей среды. Выяснение химического состава почв,удобрений, кормов и сельскохозяйственной продукции важно для нормальнофункционирования агропромышленного комплекса. Химический анализ незаменим вмедицинской диагностике, биотехнологии. От уровня химического анализа,оснащенности лаборатории методами, приборами и реактивами зависит развитиемногих наук.
Научнаяоснова химического анализа – аналитическая химия, наука, которая в течениестолетий была частью, а иногда и основной частью химии.
Аналитическаяхимия – это наука об определении химического состава веществ и отчасти иххимического строения. Методы аналитической химии позволяют отвечать на вопросыо том, из чего состоит вещество, какие компоненты входят в его состав. Этиметоды часто дают возможность узнать, в какой форме данный компонентприсутствует в веществе, например установить степень окисления элемента. Иногдавозможно оценить пространственное расположение компонентов.
Приразработке методов часто приходится заимствовать идеи из смежных областей наукии приспосабливать их к своим целям. В задачу аналитической химии входитразработка теоретических основ методов, установление границ их применимости,оценка метрологических и других характеристик, создание методик анализаразличных объектов.
Методыи средства анализа постоянно изменяются: привлекаются новые подходы,используются новые принципы, явления, часто из далеких областей знания.
Подметодом анализа понимают достаточно универсальный и теоретически обоснованныйспособ определения состава безотносительно к определяемому компоненту и канализируемому объекту. Когда говорят о методе анализа, имеют в виду принцип,положенный в основу, количественное выражение связи между составом и каким-либоизмеряемым свойством; отобранные приемы осуществления, включая выявление иустранение помех; устройства для практической реализации и способы обработкирезультатов измерений. Методика анализа – это подробное описание анализаданного объекта с использованием выбранного метода.
Можновыделить три функции аналитической химии как области знания:
1. решение общихвопросов анализа,
2. разработкааналитических методов,
3. решение конкретныхзадач анализа.
Так жеможно выделить качественный и количественный анализы. Первый решаетвопрос о том, какие компоненты включает анализируемый объект, второй дает сведенияо количественном содержании всех или отдельных компонентов.
2.КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ
Всесуществующие методы аналитической химии можно разделить на методы пробоотбора,разложения проб, разделения компонентов, обнаружения (идентификации) и определения.Существуют гибридные методы, сочетающие разделение и определение. Методыобнаружения и определения имеют много общего.
Наибольшеезначение имеют методы определения. Их можно классифицировать по характеруизмеряемого свойства или способу регистрации соответствующего сигнала. Методыопределения делятся на химические, физические и биологические. Химические методы базируются на химических (в томчисле электрохимических) реакциях. Сюда можно отнести и методы, называемыефизико-химическими. Физические методы основаны на физических явлениях ипроцессах, биологические – на явлении жизни.
Основные требования кметодам аналитической химии: правильность и хорошая воспроизводимостирезультатов, 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 подготовкипробы наступает стадия химического анализа, на которой и проводят обнаружениекомпонента или определение его количества. С этой целью измеряют аналитический сигнал. В большинствеметодов аналитическим сигналом является среднее из измерений физическойвеличины на заключительной стадии анализа, функционально связанной ссодержанием определяемого компонента.
В случае необходимостиобнаружения какого-либо компонента обычно фиксируют появление аналитического сигнала – появление осадка, окраски, линиив спектре и т.д. Появление аналитического сигнала должно быть надежнозафиксировано. При определении количества компонента измеряется величина аналитического сигнала – массаосадка, сила тока, интенсивность линии спектра и т.д.
4. МЕТОДЫАНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ
4.1. МЕТОДЫМАСКИРОВАНИЯ, РАЗДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ
Маскирование.
Маскирование – этоторможение 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 и концентрирование.
Необходимость разделения иконцентрирования может быть обусловлена следующими факторами: проба содержиткомпоненты, мешающие определению; концентрация определяемого компонента нижепредела обнаружения метода; определяемые компоненты неравномерно распределены впробе; отсутствуют стандартные образцы для градуировки приборов; пробавысокотоксична, радиоактивна и дорога.
Разделение– это операция (процесс), в результате которойкомпоненты, составляющие исходную смесь, отделяются один от другого.
Концентрирование — это операция (процесс), в результате которойповышается отношение концентрации или количества микрокомпонентов кконцентрации или количеству макрокомпонента.
Осаждение и соосаждение.
Осаждение, как правило,применяют для разделения неорганических веществ. Осаждение микрокомпонентоворганическими реагентами, и особенно их соосаждение, обеспечивают высокийкоэффициент концентрирования. Эти методы используют в комбинации с такимиметодами определения, которые рассчитаны на получение аналитического сигнала оттвердых образцов.
Разделение путем осажденияосновано на различной растворимости соединений, преимущественно в водныхрастворах.
Соосаждение – этораспределение 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.
Экстракционные методыпригодны 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 хорошо используютдля разделения и концентрирования веществ. Сорбционные методы обычнообеспечивают хорошую селективность разделения, высокие значения коэффициентовконцентрирования.
Сорбция– процесс поглощения газов, паров и растворенных веществтвердыми или жидкими поглотителями на твердом носителе (сорбентами).
Электролитическое выделение и цементация.
Наиболее распространен методэлекторовыделения, при котором отделяемое или концентрированное веществовыделяют на твердых электродах в элементарном состоянии или в виде какого-тосоединения. 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.
Электрофорезоснован наразличиях в скоростях движения частиц разного заряда, формы и размера вэлектрическом поле. Скорость движения зависит от заряда, напряженности поля ирадиуса частиц. Различают два варианта электрофореза: фронтальный (простой) изонный (на носителе). В первом случае небольшой объем раствора, содержащегоразделяемые компоненты, помещают в трубку с раствором электролита. Во второмслучае передвижение происходит в стабилизирующей среде, которая удерживаетчастицы на местах после отключения электрического поля.
Метод цементации заключается в восстановлении компонентов (обычно малыхколичеств) на металлах с достаточно отрицательными потенциалами или альмагамахэлектроотрицательных металлов. При цементации происходит одновременно двапроцесса: катодный (выделение компонента) и анодный (растворение цементирующегометалла).
Методы испарения.
Методы дистилляции основаны на разной летучести веществ. Веществопереходит из жидкого состояния в газообразное, а затем конденсируется, образуяснова жидкую или иногда твердую фазу.
Простая отгонка (выпаривание)– одноступенчатый процессразделения и концентрирования. При выпаривании удаляются вещества, которыенаходятся в форме готовых летучих соединений. Это могут быть макрокомпоненты имикрокомпоненты, отгонку последних применяют реже.
Возгонка (сублимация) — перевод вещества из твердогосостояния в газообразное и последующее осаждение его в твердой форме (минуяжидкую фазу). К разделению возгонкой прибегают, как правило, если разделяемыекомпоненты 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. Принеуправляемой кристаллизации кристаллы возникают самопроизвольно во всемобъеме. При управляемой кристаллизации процесс задается внешними условиями(температура, направление движения фаз и т.п.).
Различают два видауправляемой кристаллизации: направленнуюкристаллизацию (в заданном направлении) 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 – наиболеечасто используемый аналитический метод. Новейшими хроматографическими методамиможно определять газообразные, жидкие и твердые вещества с молекулярной массойот единиц до 106. Это могут быть изотопы водорода, ионы металлов,синтетические полимеры, белки и др. С помощью хроматографии получена обширнаяинформация о строении и свойствах органических соединений многих классов.
Хроматография– это физико-химический метод разделения веществ,основанный на распределении компонентов между двумя фазами – неподвижной иподвижной. Неподвижной фазой (стационарной) обычно служит твердое вещество (егочасто называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество.Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий черезнеподвижную фазу.
Метод позволяет разделятьмногокомпонентную смесь, идентифицировать компоненты и определять ееколичественный состав.
Хроматографические методыклассифицируют по следующим признакам:
а) по агрегатному состояниюсмеси, в котором производят ее разделение на компоненты – газовая, жидкостная игазожидкостная хроматография;
б) по механизму разделения –адсорбционная, распределительная, ионообменная, осадочная, окислительно-восстановительная,адсорбционно — комплексообразовательная хроматография;
в) по форме проведенияхроматографического процесса – колоночная, капиллярная, плоскостная (бумажная,тонкослойная и мембранная).
4.3.ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
В основе химических методовобнаружения 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 ититриметрический. Эти аналитические методы называются классическими. Критериямипригодности химической реакции как основы аналитического метода в большинствеслучаев являются полнота протекания и большая скорость.
Гравиметрические методы.
Гравиметрический анализзаключается в выделении вещества в чистом виде и его взвешивании. Чаще всеготакое выделение проводят осаждением. Реже определяемый компонент выделяют ввиде летучего соединения (методы отгонки). В ряде случаев гравиметрия – лучшийспособ решения аналитической задачи. Это абсолютный (эталонный) метод.
Недостатком гравиметрическийметодов является длительность определения, особенно при серийных анализахбольшого числа проб, а так же неселективность – реагенты-осадители за небольшимисключением редко бывают специфичны. Поэтому часто необходимы предварительныеразделения.
Аналитическим сигналов вгравиметрии является масса.
Титриметрические методы.
Титриметрическим методомколичественного химического анализа называют метод, основанный на измеренииколичества реагента В, затраченного на реакцию с определяемым компонентомА. Практически удобнее всего прибавлятьреагент в виде его раствора точно известной концентрации. В таком вариантетитрованием называют процесс непрерывного добавления контролируемого количествараствора реагента точно известной концентрации (титрана) к растворуопределяемого компонента.
В титриметрии используют триспособа титрования: прямое, обратное и титрование заместителя.
Прямое титрование – это титрование раствора определяемого вещества Анепосредственно раствором титрана В. Его применяют в том случае, если реакциямежду А и В протекает быстро.
Обратное титрование заключается в добавлении к определяемому веществу Аизбытка точно известного количества стандартного раствора В и после завершенияреакции между ними, титровании оставшегося количества В раствором титрана В’. Этот способ применяют в тех случаях, когда реакциямежду А и В протекает недостаточно быстро, либо нет подходящего индикатора дляфиксирования точки эквивалентности реакции.
Титрование по заместителю заключается в титровании титрантомВ не определяемого количества вещества А, а эквивалентного ему количествазаместителя А’,получающегося в результате предварительно проведенной реакции между определяемымвеществом А и каким-либо реагентом. Такой способ титрования применяют обычно втех случаях, когда невозможно провести прямое титрование.
Кинетические методы.
Кинетические методы основанына использовании зависимости скорости химической реакции от концентрацииреагирующих веществ, а в случае каталитических реакций и от концентрациикатализатора. Аналитическим сигналом в кинетических методах является скоростьпроцесса или пропорциональная ей величина.
Реакция, положенная в основукинетического метода, называется индикаторной. Вещество, по изменениюконцентрации которого судят о скорости индикаторного процесса, — индикаторным.
Биохимические методы.
Среди современных методовхимического анализа важное место занимают биохимические методы. К биохимическимметодам относят методы, основанные на использовании процессов, происходящих сучастием биологических компонентов (ферментов, антител и т.п.). Аналитическимсигналом при этом чаще всего являются либо начальная скорость процесса, либоконечная концентрация одного из продуктов реакции, определяемая любыминструментальным методом.
Ферментативные методы основаны на использовании реакций,катализируемых ферментами – биологическими катализаторами, отличающимисявысокой активностью и избирательностью действия.
Иммунохимические методыанализа основаны на специфическомсвязывании определяемого соединения – антигена соответствующими антителами.Иммунохимическая реакция в растворе между антителами и антигенами – сложныйпроцесс, протекающий в несколько стадий.
4.4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕМЕТОДЫ
Электрохимические методы анализа иисследования основаны на изучении и использовании процессов, протекающих наповерхности электрода или в приэлектродном пространстве. Любой электрическийпараметр (потенциал, сила тока, сопротивление и др.), функционально связанный сконцентрацией анализируемого раствора и поддающийся правильному измерению,может служить аналитическим сигналом.
Различают прямые и косвенныеэлектрохимические методы. В прямых методах используют зависимость силы тока(потенциала и т.д.) от концентрации определяемого компонента. В косвенныхметодах силу тока (потенциал и т.д.) измеряют с целью нахождения конечной точкититрования определяемого компонента подходящим титрантом, т.е. используютзависимость измеряемого параметра от объема титранта.
Для любого рода электрохимическихизмерений необходима электрохимическая цепь или электрохимическая ячейка,составной частью которой является анализируемый раствор.
Существуют различные способыклассификации электрохимических методов – от очень простых до очень сложных,включающих рассмотрение деталей электродных процессов.
4.5.СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
К спектроскопическим методаманализа относят физические методы, основанные на взаимодействииэлектромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит кразличным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально ввиде 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 важное применениемасс-спектрометрия получила для идентификации и установления структурыорганических соединений. Молекулярный анализ сложных смесей органическихсоединений целесообразно проводить после их хроматографического разделения.
4.7. МЕТОДЫАНАЛИЗА, ОСНОВАННЫЕ НА РАДИОАКТИВНОСТИ
Методы анализа, основанныена 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 радиоактивационный метод. Этот методпоявился после открытия искусственной радиоактивности и основан на образованиирадиоактивный изотопов определяемого элемента при облучении пробы ядерными или g-частицами и регистрации полученнойпри активации искусственной радиоактивности.
4.8. ТЕРМИЧЕСКИЕМЕТОДЫ
Термические методы анализаоснованы на взаимодействии вещества с тепловой энергией. Наибольшее применениев аналитической химии находят термические эффекты, которые являются причинойили следствием химических реакций. В меньшей степени применяются методы,основанные на выделении или поглощении теплоты в результате физическихпроцессов. Это процессы, связанные с переходом вещества из одной модификации вдругую, с изменением агрегатного состояния и другими изменениямимежмолекулярного взаимодействия, например, происходящими при растворении или разбавлении. В таблицеприведены 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 успешноиспользуются для анализа металлургических материалов, минералов, силикатов, атак же полимеров, для фазового анализа почв, определения содержания влаги впробах.
4.9.БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Биологические методы анализа основанына том, что для жизнедеятельности – роста, размножения и вообще нормальногофункционирования живых существ необходима среда строго определенногохимического состава. При изменении этого состава, например, при исключении изсреды какого-либо компонента или введении дополнительного (определяемого)соединения организм через какое-то время, иногда практически сразу, подаетсоответствующий ответный сигнал. Установление связи характера или интенсивностиответного сигнала организма с количеством введенного в среду или исключенногоиз среды компонента служит для его обнаружения и определения.
Аналитическими индикаторами вбиологических методах являются различные живые организмы, их органы и ткани,физиологические функции и т.д. В роли индикаторного организма могут выступатьмикроорганизмы, беспозвоночные, позвоночные, а так же растения.
5.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Значение аналитической химииопределяется необходимостью общества в аналитических результатах, вустановлении качественного и количественного состава веществ, уровнем развитияобщества, общественной потребностью в результатах анализа, так же и уровнемразвития самой аналитической химии.
Цитата изучебника по аналитической химии Н.А.Меншуткина 1897 года выпуска: «Представиввесь ход занятий по аналитической химии в виде задач, решение которых предоставленозанимающемуся, мы должны указать на то, что для подобного решения задачаналитическая 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 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. Книга2», Москва, «Высшая школа», 1999 г.