Има много видове анализи. Те могат да бъдат класифицирани по различни критерии:

- от характера на получената информация. Разграничете качествен анализ(в този случай те откриват от какво се състои това вещество, кои компоненти са включени в неговия състав) и количествен анализ(определяне на съдържанието на определени компоненти, например в тегловни % или съотношението на различни компоненти). Границата между качествен и количествен анализ е много условна, особено при изследване на микропримеси. Така че, ако в хода на качествен анализ определен компонент не е открит, тогава е необходимо да се посочи какво минимално количество от този компонент може да бъде открито с този метод. Може би отрицателният резултат от качествен анализ не се дължи на липсата на компонент, а на недостатъчната чувствителност на използвания метод! От друга страна, количественият анализ винаги се извършва, като се вземе предвид предварително установеният качествен състав на изследвания материал.

- класификация по обекти на анализ: технически, клинични, криминалистикаи т.н.

- класификация по обекти на дефиниране.

Не бъркайте термините - анализирами определяне на.Обекти определенияименувайте компонентите, чието съдържание трябва да бъде установено или надеждно открито. Като се вземе предвид естеството на определяния компонент, се разграничават различни видове анализ (Таблица 1.1).

Таблица 1-1. Класификация на видовете анализ (по обекти на дефиниране или откриване)

Тип анализ	Обект на дефиниране (или откриване)	Пример	Област на приложение
Изотопни	Атоми с дадени стойности на ядрен заряд и масово число (изотопи)	137 Cs, 90 Sr, 235 U	Ядрена енергия, контрол на замърсяването на околната среда, медицина, археология и др.
елементарен	Атоми с дадени стойности на ядрен заряд (елементи)	Cs, Sr, U, Cr, Fe, Hg	навсякъде
истински	Атоми (йони) на елемент в дадено състояние на окисление или в съединения с даден състав (форма на елемента)	Cr(III), Fe 2+ , Hg в комплексни съединения	Химическа технология, контрол на замърсяването на околната среда, геология, металургия и др.
Молекулярна	Молекули със зададен състав и структура	Бензол, глюкоза, етанол	Медицина, контрол на замърсяването на околната среда, агрохимия, химични технологии, криминалистика.
Структурна група или функционална	Сумата от молекули с дадени структурни характеристики и подобни свойства (сумата от изомери и хомолози)	Ограничете въглеводородите, монозахаридите, алкохолите	Химическа технология, хранителна промишленост, медицина.
фаза	Фаза или елемент в дадена фаза	Графит в стомана, кварц в гранит	Металургия, геология, технология на строителните материали.

Класификацията "по обекти на дефиниране" е много важна, защото помага при избора подходящ начинанализ (аналитичен метод). Да, за елементен анализчесто се използват спектрални методи, базирани на регистриране на излъчване на атоми при различни дължини на вълната. Повечето спектрални методи включват пълно разрушаване (атомизиране) на аналита. Ако е необходимо да се установи естеството и количественото съдържание на различни молекули, които съставляват състава на изследваното органично вещество ( молекулярен анализ), тогава един от най-подходящите методи ще бъде хроматографският, който не включва разрушаване на молекули.

По време на елементен анализидентифицират или определят количествено елементи, независимо от тяхната степен на окисление или от включването в състава на определени молекули. Пълният елементен състав на изпитвания материал се определя в редки случаи. Обикновено е достатъчно да се определят някои елементи, които значително влияят върху свойствата на обекта, който се изследва.

истинскианализът започна да се отделя като независима форма сравнително наскоро, по-рано се считаше за част от елементарния. Целта на анализа на материала е да се определи отделно съдържанието на различни форми на един и същи елемент. Например хром (III) и хром (VI) в отпадъчни води. В петролните продукти „сулфатна сяра“, „свободна сяра“ и „сулфидна сяра“ се определят отделно. Изследвайки състава на природните води, те установяват каква част от живака съществува под формата на силни (недисоцииращи) сложни и елементарни елементи. органични съединения, а които - под формата на свободни йони. Тези задачи са по-трудни от тези на елементния анализ.

Молекулярен анализособено важно в изследването органична материяи материали от биогенен произход. Пример за това е определянето на бензен в бензин или ацетон в издишвания въздух. В такива случаи е необходимо да се вземе предвид не само съставът, но и структурата на молекулите. Наистина, в изследвания материал може да има изомери и хомолози на определения компонент. По този начин често е необходимо да се определи съдържанието на глюкоза в присъствието на много от нейните изомери и други свързани съединения, като захароза.

Когато става въпрос за определяне на общото съдържание на всички молекули, които имат някои общи структурни характеристики, еднакви функционални групи и следователно подобни химични свойства, използвайте термина структурно-групови(или функционален)анализ. Например сумата от алкохоли (органични съединения с ОН група) се определя чрез провеждане на обща за всички алкохоли реакция с метален натрий и след това измерване на обема на отделения водород. Количество ненаситени въглеводороди(с двойни или тройни връзки) се определя чрез окисляването им с йод. Общото съдържание на еднотипни компоненти понякога се установява и при неорганичен анализ - например общото съдържание на редкоземни елементи.

Специфичен вид анализ е фазов анализ. Така въглеродът в чугуните и стоманите може да се разтвори в желязото, може да образува химически съединения с желязото (карбиди) или може да образува отделна фаза (графит). Физичните свойства на продукта (якост, твърдост и т.н.) зависят не само от общото съдържание на въглерод, но и от разпределението на въглерода между тези форми. Следователно металурзите се интересуват не само от общото съдържание на въглерод в чугун или стомана, но и от наличието на отделна фаза на графит (свободен въглерод) в тези материали, както и от количественото съдържание на тази фаза.

Основният фокус на основния курс по аналитична химия е елементен и молекулен анализ. При други видове анализ се използват много специфични методи и програмата основен курсизотопен, фазов и структурно групов анализ не са включени.

Класификация според точността на резултатите, продължителността и цената на анализите.Опростена, бърза и евтина версия на анализа се нарича експресен анализ. За тяхното изпълнение те често използват методи за изпитване.Например, всеки (не анализатор) може да оцени съдържанието на нитрати в зеленчуците (захар в урината, тежки метали в питейната вода и т.н.) с помощта на специална индикаторна хартия. Резултатът ще бъде видим за окото, тъй като съдържанието на компонента се определя с помощта на цветната скала, прикрепена към хартията. Методите за изследване не изискват доставка на проба в лабораторията, никаква обработка на материала за изследване; тези методи не използват скъпо оборудване и не извършват изчисления. Важно е само резултатът да не зависи от наличието на други компоненти в изследвания материал, а за това е необходимо реагентите, с които се импрегнира хартията по време на нейното производство, да бъдат специфични. Много е трудно да се гарантира специфичността на методите за изпитване и този тип анализ е широко разпространен само в последните години XX век. Разбира се, методите за изпитване не могат да осигурят висока точност на анализа, но не винаги е необходимо.

Пряката противоположност на експресния анализ - арбитражен анализ.Основното изискване към него е да осигури възможно най-голяма точност на резултатите. Арбитражните анализи се извършват доста рядко (например за разрешаване на конфликт между производител и потребител на промишлени продукти). За извършване на такива анализи се ангажират най-квалифицираните изпълнители, използват се най-надеждните и многократно доказани методи. Времето, изразходвано за извършване на такъв анализ, както и цената му, не са от основно значение.

Междинно място между експресния и арбитражния анализ – по точност, продължителност, цена и други показатели – заема т.нар. рутинни тестове. Основната част от анализите, извършвани в заводските и други контролно-аналитични лаборатории са от този тип.

Има други начини за класификация, други видове анализ. Например, вземете предвид масата на изследвания материал, директно използван в хода на анализа. В рамките на съответната класификация има макроанализ(килограми, литри), полумикроанализ(фракции от грам, милилитри) и микроанализ. В последния случай се използват претегляния от порядъка на милиграм или по-малко, обемите на разтворите се измерват в микролитри и резултатът от реакцията понякога трябва да се наблюдава под микроскоп. Микроанализът рядко се използва в аналитичните лаборатории.

1.3. Методи за анализ

Понятието "метод на анализ" е най-важното за аналитичната химия. Този термин се използва, когато искат да разкрият същността на този или онзи анализ, неговия основен принцип. Методът на анализ е доста универсален и теоретично обоснован начин за провеждане на анализ, независимо кой компонент се определя и какво точно се анализира.Има три основни групи методи (фиг. 1-1). Някои от тях са насочени предимно към разделяне на компонентите на изследваната смес (последващ анализ без тази операция се оказва неточен или дори невъзможен). В хода на разделянето обикновено се получава и концентрацията на компонентите, които трябва да се определят (виж глава 8). Пример за това са методите за екстракция или йонообменните методи. Други методи се използват в хода на качествения анализ, те служат за надеждна идентификация (идентификация) на компонентите, които ни интересуват. Третият, най-многобройният, е предназначен за количествено определяне на компонентите. Извикват се съответните групи методи за разделяне и концентриране, методи за идентификация и методи за определяне.Методите на първите две групи, като правило , играе поддържаща роля; те ще бъдат обсъдени по-късно. Най-важните за практиката са методи за определяне.

Освен трите основни групи има хибридметоди. Фигура 1.1 не показва тези методи. При хибридните методи разделянето, идентифицирането и определянето на компонентите са органично комбинирани в един инструмент (или в един комплект инструменти). Най-важният от тези методи е хроматографският анализ. В специално устройство (хроматограф) компонентите на пробата (сместа) се разделят, тъй като те се движат с различна скорост през колона, пълна с прах твърдо(сорбент). По момента на освобождаване на компонента от колоната се преценява неговата природа и по този начин се идентифицират всички компоненти на пробата. Излизащите от колоната компоненти на свой ред попадат в друга част на устройството, където специално устройство – детектор измерва и записва сигналите на всички компоненти. Често автоматичното изчисляване на съдържанието на всички компоненти се извършва незабавно. Ясно е, че хроматографският анализ не може да се разглежда само като метод за разделяне на компонентите или само като метод за количествено определяне, той е точно хибриден метод.

Всеки метод за определяне съчетава много специфични методи, при които се измерва една и съща физическа величина. Например, за да се извърши количествен анализ, може да се измери потенциалът на електрод, потопен в тестовия разтвор, и след това, като се използва намерената стойност на потенциала, да се изчисли съдържанието на определен компонент на разтвора. Всички методи, при които основната операция е измерването на потенциала на електрода, се считат за специални случаи. потенциометричен метод. При приписване на методологията на един или друг аналитичен методняма значение какъв обект се изследва, какви вещества се определят и с каква точност, какво устройство се използва и как се извършват изчисленията - важно е само това, което измерваме.Обикновено се нарича физическото количество, измерено по време на анализа, което зависи от концентрацията на аналита аналитичен сигнал.

По подобен начин може да се отдели методът спектрален анализ.В този случай основната операция е измерването на интензитета на светлината, излъчвана от пробата при определена дължина на вълната. Метод титриметричен (обемен) анализсе основава на измерване на обема на разтвора, изразходван за химичната реакция с определения компонент на пробата. Думата "метод" често се пропуска, казват просто "потенциометрия", "спектрален анализ", "титриметрия" и т.н. AT рефрактометричен анализсигналът е индексът на пречупване на тестовия разтвор, in спектрофотометрия- абсорбция на светлина (при определена дължина на вълната). Списъкът с методи и съответните им аналитични сигнали може да бъде продължен; общо са известни няколко десетки независими метода.

Всеки метод за определяне има своя собствена теоретична основа и е свързан с използването на специфично оборудване. Областите на приложение на различните методи се различават значително. Някои методи се използват основно за анализ на нефтопродукти, други - за анализ на лекарства, трети - за изследване на метали и сплави и т.н. По същия начин могат да се разграничат методи за елементен анализ, методи за изотопен анализ и др. Съществуват и универсални методи, използвани при анализа на голямо разнообразие от материали и подходящи за определяне на най-разнообразните компоненти в тях. Например, спектрофотометричният метод може да се използва за елементен, молекулен и структурно групов анализ.

Точността, чувствителността и други характеристики на отделните методи, свързани с един и същ аналитичен метод, се различават, но не толкова, колкото характеристиките на различните методи. Всеки аналитичен проблем винаги може да бъде решен чрез няколко различни метода (например хромът в легирана стомана може да се определи чрез спектрален метод, титриметричен и потенциометричен). Анализаторът избира метод, като се съобразява с известните възможности на всеки от тях и специфичните изисквания към този анализ. Невъзможно е веднъж завинаги да се изберат „най-добрите“ и „най-лошите“ методи, всичко зависи от проблема, който се решава, от изискванията към резултатите от анализа. По този начин гравиметричният анализ като правило дава по-точни резултати от спектралния анализ, но изисква много труд и време. Следователно гравиметричният анализ е добър за арбитражен анализ, но не е подходящ за експресен анализ.

Методите за определяне са разделени на три групи: химически, физични и физико-химични. Често физичните и физико-химичните методи се обединяват под общото наименование „инструментални методи“, тъй като и в двата случая се използват инструменти, и то едни и същи. Като цяло границите между групите методи са много произволни.

Химични методисе основават на провеждане на химична реакция между определения компонент и специално добавен реагент. Реакцията протича по схемата:

По-нататък символът X означава компонента, който се определя (молекула, йон, атом и т.н.), R е добавеният реагент, Y е съвкупността от реакционни продукти. Групата на химичните методи включва класически (отдавна известни и добре проучени) методи за определяне, предимно гравиметрия и титриметрия. Броят на химичните методи е сравнително малък, всички те имат едни и същи теоретични основи (теор химични равновесия, закони на химичната кинетика и др.). Като аналитичен сигнал в химичните методи обикновено се измерва масата или обемът на дадено вещество. Сложни физически инструменти, с изключение на аналитични везни и специални еталони химичен съставне се използват в химични методи. Тези методи имат много общо по отношение на техните възможности. Те ще бъдат обсъдени в глава 4.

Физически методине е свързано с химични реакции и използване на реагенти. Техният основен принцип е сравнението на еднотипни аналитични сигнали на X компонента в изследвания материал и в определена референтна проба (проба с точно известна концентрация на X). След предварително изграждане на графика за калибриране (зависимост на сигнала от концентрацията или масата X) и измерване на стойността на сигнала за проба от изследвания материал, се изчислява концентрацията на X в този материал. Има и други начини за изчисляване на концентрациите (вижте глава 6). Физическите методи обикновено са по-чувствителни от химичните, поради което определянето на микропримеси се извършва главно чрез физични методи. Тези методи са лесни за автоматизиране и изискват по-малко време за анализ. Физическите методи обаче изискват специални стандарти, изискват доста сложно, скъпо и високоспециализирано оборудване, освен това обикновено са по-малко точни от химичните.

Междинно място между химичните и физичните методи по своите принципи и възможности заемат физични и химичниметоди за анализ. В този случай анализаторът провежда химическа реакция, но нейният ход или резултатът се проследява не визуално, а с помощта на физически инструменти. Например, постепенно добавя към тестовия разтвор друг - с известна концентрация на разтворения реагент, като в същото време контролира потенциала на електрода, потопен в титрувания разтвор (потенциометрично титруване), Анализаторът преценява завършването на реакцията по скока на потенциала, измерва обема на изразходвания върху него титрант и изчислява резултата от анализа. Такива методи обикновено са толкова точни, колкото химичните методи, и почти толкова чувствителни, колкото физичните методи.

Инструменталните методи често се разделят и по друг, по-ясно изразен признак - естеството на измервания сигнал. В този случай се разграничават подгрупи от оптични, електрохимични, резонансни, активиращи и други методи. Има и малко и все още неразработени методи биологични и биохимични методи.

План на лекцията:

1. основни характеристикифизични и химични методи

2. Общи сведения за спектроскопските методи за анализ.

3. Метод за фотометричен анализ: фотоколориметрия, колориметрия, спектрофотометрия.

4. Общи сведения за нефелометрични, луминесцентни, поляриметрични методи за анализ.

5. Рефрактометричен метод за анализ.

6. Общи сведения за масспектрални, радиометрични анализи.

7. Електрохимични методи за анализ (потенциометрия, кондуктометрия, кулометрия, амперометрия, полярография).

8. Хроматографски метод за анализ.

Същността на физико-химичните методи за анализ. Тяхната класификация.

Физико-химичните методи за анализ, подобно на химичните методи, се основават на провеждането на една или друга химична реакция. При физичните методи химичните реакции отсъстват или са от второстепенно значение, въпреки че при спектралния анализ интензитетът на линията винаги зависи значително от химичните реакции във въглероден електрод или в газов пламък. Следователно понякога физичните методи се включват в групата на физикохимичните методи, тъй като няма достатъчно строга недвусмислена разлика между физичните и физикохимичните методи и разпределянето на физичните методи в отделна група не е от основно значение.

Химичните методи за анализ не бяха в състояние да задоволят разнообразните изисквания на практиката, които се увеличиха в резултат на научно-техническия прогрес, развитието на полупроводниковата индустрия, електрониката и компютрите, широкото използване на чисти и свръхчисти вещества в технологиите.

Използването на физични и химични методи за анализ се отразява в технохимичния контрол на хранително-вкусовата промишленост, в изследователските и производствените лаборатории. Тези методи се характеризират с висока чувствителност и бърз анализ. Те се основават на използването на физически химични свойствавещества.

При извършване на анализи чрез физикохимични методи точката на еквивалентност (краят на реакцията) се определя не визуално, а с помощта на инструменти, които записват промяната във физичните свойства на тестваното вещество в точката на еквивалентност. За тази цел обикновено се използват устройства със сравнително сложни оптични или електрически вериги, така че тези методи се наричат ​​методи. инструментален анализ.

В много случаи тези методи не изискват химическа реакция за извършване на анализа, за разлика от химичните методи за анализ. Необходимо е само да се измерят показателите на всякакви физични свойства на анализираното вещество: електропроводимост, абсорбция на светлина, пречупване на светлина и др. Физикохимичните методи позволяват непрекъснат мониторинг на суровините, полуфабрикатите и готовите продукти в промишлеността.

Физикохимичните методи за анализ започват да се използват по-късно от химичните методи за анализ, когато е установена и изследвана връзката между физичните свойства на веществата и техния състав.

Точността на физикохимичните методи варира значително в зависимост от метода. Най-висока точност (до 0,001%) има кулонометрия,въз основа на измерването на количеството електричество, изразходвано за електрохимичното окисление или редукция на определяните йони или елементи. Повечето физикохимични методи имат грешка в рамките на 2-5%, което надвишава грешката на химичните методи за анализ. Подобно сравнение на грешки обаче не е напълно коректно, тъй като се отнася до различни области на концентрация. При ниско съдържание на определения компонент (около 10 -3% или по-малко), класическите химични методи за анализ обикновено са неподходящи; при високи концентрации физикохимичните методи успешно се конкурират с химичните. Сред съществените недостатъци на повечето физикохимични методи е задължителното наличие на стандарти и стандартни разтвори.

Сред физикохимичните методи най-практичните приложения са:

1. спектрални и други оптични методи (рефрактометрия, поляриметрия);

2. електрохимични методи за анализ;

3. хроматографски методи за анализ.

Освен това има още 2 групи физико-химични методи:

1. радиометрични методи, базирани на измерване на радиоактивното излъчване на даден елемент;

2. масспектрометрични методи за анализ, основани на определяне на масите на отделни йонизирани атоми, молекули и радикали.

Най-обширна по брой методи и важна по практическо значение е групата на спектралните и други оптични методи. Тези методи се основават на взаимодействието на вещества с електромагнитно излъчване. Има много различни видове електромагнитно излъчване: рентгеново, ултравиолетово, видимо, инфрачервено, микровълново и радиочестотно. В зависимост от вида на взаимодействието на електромагнитното излъчване с материята оптични методисе класифицират както следва.

На измерването на ефектите от поляризацията на молекулите на дадено вещество се основават рефрактометрия, поляриметрия.

Анализираните вещества могат да абсорбират електромагнитно излъчване и въз основа на използването на това явление се разграничава група абсорбционни оптични методи.

Поглъщането на светлина от атомите на аналитите се използва в атомно-абсорбционен анализ. Способността да се абсорбира светлина от молекули и йони в ултравиолетовата, видимата и инфрачервената област на спектъра направи възможно създаването молекулярно-абсорбционен анализ (колориметрия, фотоколориметрия, спектрофотометрия).

Поглъщането и разсейването на светлината от суспендирани частици в разтвор (суспензия) доведе до появата на методи турбидиметрия и нефелометрия.

Методите, базирани на измерване на интензитета на радиация в резултат на освобождаването на енергия от възбудени молекули и атоми на анализираното вещество, се наричат емисионни методи. Да се методи на молекулярна емисиявключват луминесценция (флуоресценция), до атомна емисия- емисионен спектрален анализ и пламъчна фотометрия.

Електрохимични методианализите се основават на измерване на електрическата проводимост ( кондуктометрия); потенциална разлика ( потенциометрия); количеството електричество, преминаващо през разтвора кулонометрия); зависимостта на тока от приложения потенциал ( волтаметрия).

Към групата хроматографски методи за анализвключва методи на газова и газо-течна хроматография, разпределителна, тънкослойна, адсорбционна, йонообменна и други видове хроматография.

Спектроскопски методи за анализ: Главна информация

Концепцията за спектроскопичния метод на анализ, неговите разновидности

Спектроскопски методи за анализ- физични методи, основани на взаимодействието на електромагнитното излъчване с материята. Взаимодействието води до различни енергийни преходи, които се записват инструментално под формата на поглъщане на радиация, отражение и разсейване на електромагнитно излъчване.

Класификация:

Емисионният спектрален анализ се основава на изследването на емисионни (радиационни) спектри или емисионни спектри различни вещества. Разновидност на този анализ е пламъчната фотометрия, базирана на измерване на интензитета на атомната радиация, възбудена от нагряване на вещество в пламък.

Абсорбционният спектрален анализ се основава на изследването на абсорбционните спектри на анализираните вещества. Ако радиацията се поглъща от атоми, тогава поглъщането се нарича атомно, а ако от молекули, то се нарича молекулярно. Има няколко вида абсорбционен спектрален анализ:

1. Спектрофотометрия - отчита поглъщането на светлина с определена дължина на вълната от анализираното вещество, т.е. абсорбция на монохроматично лъчение.

2. Фотометрия - базирана на измерване на поглъщането на светлината от анализираното вещество не е строго монохроматично излъчване.

3. Колориметрията се основава на измерване на абсорбцията на светлина от цветни разтвори във видимата част на спектъра.

4. Нефелометрията се основава на измерването на интензитета на светлината, разсеяна от твърди частици, суспендирани в разтвор, т.е. светлина, разсеяна от окачването.

Луминесцентната спектроскопия използва блясъка на изследвания обект, който възниква под действието на ултравиолетовите лъчи.

В зависимост от това в коя част от спектъра се поглъща или излъчва, спектроскопията се разграничава в ултравиолетовата, видимата и инфрачервената област на спектъра.

Спектроскопията е чувствителен метод за определяне на повече от 60 елемента. Използва се за анализ на множество материали, включително биологични среди, растителни материали, цименти, стъкла и природни води.

Фотометрични методи за анализ

Фотометричните методи за анализ се основават на селективното поглъщане на светлина от аналита или комбинацията му с подходящ реагент. Интензитетът на абсорбция може да бъде измерен по всеки метод, независимо от естеството на оцветеното съединение. Точността на метода зависи от метода на измерване. Има колориметрични, фотоколориметрични и спектрофотометрични методи.

Фотоколориметричен метод за анализ.

Фотоколориметричният метод на анализ позволява количествено определяне на интензитета на поглъщане на светлина от анализирания разтвор с помощта на фотоелектроколориметри (понякога те се наричат ​​просто фотоколориметри). За да направите това, пригответе серия от стандартни разтвори и начертайте зависимостта на светлинната абсорбция на аналита от неговата концентрация. Тази зависимост се нарича калибровъчна крива. При фотоколориметрите светлинните потоци, преминаващи през разтвора, имат широка област на поглъщане - 30-50 nm, така че светлината тук е полихроматична. Това води до загуба на възпроизводимост, точност и селективност на анализа. Предимствата на фотоколориметъра са в простотата на дизайна и високата чувствителност поради голямата светимост на източника на радиация - лампа с нажежаема жичка.

Колориметричен метод за анализ.

Колориметричният метод за анализ се основава на измерване на абсорбцията на светлина от веществото. В този случай се сравнява интензивността на цвета, т.е. оптична плътност на тестовия разтвор с цвета (оптична плътност) на стандартен разтвор, чиято концентрация е известна. Методът е много чувствителен и се използва за определяне на микро- и полумикро величини.

Анализът с колориметричен метод изисква много по-малко време, отколкото с химичен анализ.

При визуален анализ се постига равенство на интензитета на оцветяване на анализирания и оцветения разтвор. Това може да се постигне по 2 начина:

1. изравняване на цвета чрез промяна на дебелината на слоя;

2. изберете стандартни разтвори с различни концентрации (метод на стандартните серии).

Визуално обаче е невъзможно да се определи количествено колко пъти един разтвор е оцветен по-интензивно от друг. В този случай е възможно да се установи само същият цвят на анализирания разтвор, когато се сравнява със стандартния.

Основен закон за поглъщане на светлина.

Ако светлинният поток, чийто интензитет е I 0, е насочен към разтвор, разположен в плосък стъклен съд (кювета), тогава една част от неговия интензитет I r се отразява от повърхността на кюветата, другата част с интензитет I a се абсорбира от разтвора и третата част с интензитет I t преминава през разтвора. Има връзка между тези стойности:

I 0 \u003d I r + I a + I t (1)

защото интензитетът I r на отразената част от светлинния поток при работа с еднакви кювети е постоянен и незначителен, тогава той може да бъде пренебрегнат при изчисленията. Тогава равенството (1) приема формата:

I 0 \u003d I a + I t (2)

Това равенство характеризира оптичните свойства на разтвора, т.е. способността му да абсорбира или пропуска светлина.

Интензитетът на абсорбираната светлина зависи от броя на цветните частици в разтвора, които абсорбират светлината повече от разтворителя.

Светлинният поток, преминавайки през разтвора, губи част от интензивността - колкото по-голяма е, толкова по-голяма е концентрацията и дебелината на слоя разтвор. За цветните разтвори съществува зависимост, наречена закон на Бугер-Ламберт-Беер (между степента на поглъщане на светлината, интензитета на падащата светлина, концентрацията на оцветеното вещество и дебелината на слоя).

Според този закон абсорбцията на монохроматографска светлина, преминаваща през слой цветна течност, е пропорционална на концентрацията и дебелината на нейния слой:

I \u003d I 0 10 - kCh,

където азе интензитетът на светлинния поток, преминаващ през разтвора; аз 0е интензитетът на падащата светлина; ОТ- концентрация, мол/л; ч– дебелина на слоя, см; ке моларният коефициент на поглъщане.

Моларен коефициент на поглъщане ке оптичната плътност на разтвор, съдържащ 1 мол/лабсорбиращо вещество, с дебелина на слоя 1 см.Зависи от химическата природа и физическото състояние на поглъщащото светлина вещество и от дължината на вълната на монохроматичната светлина.

Стандартен сериен метод.

Методът на стандартната серия се основава на получаване на еднакъв интензитет на цвета на теста и стандартните разтвори при една и съща дебелина на слоя. Цветът на тестовия разтвор се сравнява с цвета на редица стандартни разтвори. При еднакъв интензитет на цвета концентрациите на тестовия и стандартния разтвор са равни.

За да се подготви серия от стандартни разтвори, се вземат 11 епруветки с еднаква форма, размер и стъкло. Изсипете стандартния разтвор от бюретата в постепенно нарастващо количество, например: в 1 епруветка 0,5 мл, във 2-ра 1 мл, в 3-та 1,5 мли т.н. - преди 5 мл(във всяка следваща епруветка с 0,5 ml повече от предишната). Във всички епруветки се наливат равни обеми разтвор, който дава цветна реакция с определяния йон. Разтворите се разреждат така, че нивата на течности във всички епруветки да са еднакви. Епруветките се запушват, съдържанието се смесва старателно и се поставя в стелаж в нарастваща концентрация. По този начин се получава цветна скала.

Същото количество реагент се добавя към тестовия разтвор в същата епруветка, разреден с вода до същия обем, както в другите епруветки. Затворете тапата, разбъркайте добре съдържанието. Цветът на тестовия разтвор се сравнява с цвета на стандартните разтвори на бял фон. Разтворите трябва да бъдат добре осветени с дифузна светлина. Ако интензитетът на цвета на тестовия разтвор съвпада с интензитета на цвета на един от разтворите на цветовата скала, тогава концентрациите на този и тестовия разтвор са равни. Ако интензитетът на цвета на тестовия разтвор е междинен между интензитета на два съседни мащабни разтвора, тогава неговата концентрация е равна на средната концентрация на тези разтвори.

Използването на метода на стандартните разтвори е препоръчително само за определяне на маса на вещество. Подготвената серия от стандартни разтвори има сравнително кратко време.

Метод за изравняване на интензитета на цвета на разтворите.

Методът за изравняване на интензивността на цвета на тестовите и стандартните разтвори се осъществява чрез промяна на височината на слоя на един от разтворите. За да направите това, цветните разтвори се поставят в 2 еднакви съда: тест и стандарт. Променете височината на слоя разтвор в един от съдовете, докато интензитетът на цвета и в двата разтвора стане еднакъв. В този случай определете концентрацията на тестовия разтвор с изследване. , сравнявайки го с концентрацията на стандартния разтвор:

От изследвания \u003d C st h st / h изследвания,

където h st и h research са височините на слоя съответно на стандартния и тестовия разтвор.

Устройствата, използвани за определяне на концентрациите на изследваните разтвори чрез изравняване на интензитета на цвета, се наричат колориметри.

Има визуални и фотоелектрични колориметри. При визуални колориметрични определяния интензитетът на цвета се измерва чрез директно наблюдение. Фотоелектричните методи се основават на използването на фотоклетки-фотоколориметри. В зависимост от интензитета на падащия светлинен лъч във фотоклетката се генерира електрически ток. Силата на тока, причинен от излагане на светлина, се измерва с галванометър. Отклонението на стрелката показва интензивността на цвета.

Спектрофотометрия.

Фотометричен методсе основава на измерване на поглъщането на светлина от нестриктно монохроматично излъчване от анализираното вещество.

Ако във фотометричния метод за анализ се използва монохроматично лъчение (излъчване с една дължина на вълната), тогава този метод се нарича спектрофотометрия. Степента на монохроматичност на потока електромагнитно излъчване се определя от минималния интервал на дължината на вълната, който се отличава с използвания монохроматор (светлинен филтър, решеткаили призма) от непрекъснат поток от електромагнитно излъчване.

Да се спектрофотометриявключват и областта на измервателната техника, която съчетава спектрометрия, фотометрия и метрология и разработва система от методи и инструменти за количествени измервания на спектралните коефициенти на абсорбция, отражение, излъчване, спектрална яркост като характеристики на среди, покрития, повърхности, излъчватели.

Етапи на спектрофотометрично изследване:

1) провеждане на химическа реакция за получаване на системи, подходящи за спектрофотометричен анализ;

2) измервания на абсорбцията на получените разтвори.

Същността на метода на спектрофотометрията

Зависимостта на абсорбцията на разтвор на вещество от дължината на вълната на графиката е изобразена като спектър на абсорбция на вещество, на който е лесно да се разграничи максимумът на абсорбция, разположен при дължината на вълната на светлината, която е максимално абсорбирана от веществото . Измерването на оптичната плътност на разтвори на вещества на спектрофотометри се извършва при дължина на вълната на максимума на абсорбцията. Това дава възможност да се анализират в един разтвор вещества, чиито максимуми на абсорбция са разположени на различни дължини на вълната.

В спектрофотометрията в ултравиолетовата и видимата област се използват електронни абсорбционни спектри.

Те характеризират най-високите енергийни преходи, на които са способни ограничен набор от съединения и функционални групи. В неорганичните съединения електронните спектри са свързани с висока поляризация на атомите, които изграждат молекулата на веществото, и обикновено се появяват в сложни съединения. В органичните съединения появата на електронни спектри се причинява от прехода на електрони от основните към възбудени нива.

Позицията и интензитетът на абсорбционните ленти са силно повлияни от йонизацията. Йонизацията от киселинен тип води до появата на допълнителна несподелена електронна двойка в молекулата, което води до допълнително батохромно изместване (изместване към дълговълновата област на спектъра) и увеличаване на интензитета на абсорбционната лента.

Спектърът на много вещества има няколко ленти на поглъщане.

За спектрофотометрични измервания в ултравиолетовата и видимата област се използват два вида инструменти - без регистрация(резултатът се наблюдава на скалата на инструмента визуално) и записващи спектрофотометри.

Луминесцентен метод на анализ.

Луминесценция- способността за самосветене, възникваща при различни влияния.

Класификация на процесите, които причиняват луминесценция:

1) фотолуминесценция (възбуждане от видима или ултравиолетова светлина);

2) хемилуминесценция (възбуждане поради енергията на химичните реакции);

3) катодолуминесценция (възбуждане чрез електронен удар);

4) термолуминесценция (възбуждане чрез нагряване);

5) триболуминесценция (възбуждане чрез механично действие).

В химическия анализ първите два вида луминесценция имат значение.

Класификация на луминесценцията по наличието на последващо сияние. Може да спре веднага с изчезването на възбудата - флуоресценцияили да продължи известно време след прекратяване на вълнуващия ефект - фосфоресценция. Основно се използва явлението флуоресценция, така че методът е наречен флуориметрия.

Приложение на флуориметрията: анализ на следи от метали, органични (ароматни) съединения, витамини D, B 6 .Флуоресцентни индикатори се използват за титруване в мътна или тъмно оцветена среда (титруването се извършва на тъмно, като титруваният разтвор, където се добавя индикаторът, се осветява със светлина от флуоресцентна лампа).

Нефелометричен анализ.

Нефелометрияе предложен от Ф. Кобер през 1912 г. и се основава на измерване на интензитета на светлината, разсеяна от суспензия от частици, с помощта на фотоклетки.

С помощта на нефелометрията се измерва концентрацията на вещества, които са неразтворими във вода, но образуват стабилни суспензии.

За нефелометрични измервания, нефелометри, подобни по принцип на колориметрите, с единствената разлика, че с нефелометрията

При провеждане фотонефелометричен анализпърво, въз основа на резултатите от определянето на серия от стандартни разтвори, се изгражда калибрационна графика, след това се анализира тестовият разтвор и концентрацията на аналита се определя от графиката. За стабилизиране на получените суспензии се добавя защитен колоид - разтвор на нишесте, желатин и др.

Поляриметричен анализ.

Електромагнитни вибрацииестествената светлина възниква във всички равнини, перпендикулярни на посоката на лъча. Кристалната решетка има способността да пропуска лъчи само в определена посока. При излизане от кристала лъчът осцилира само в една равнина. Нарича се лъч, чиито трептения са в една и съща равнина поляризиран. Равнината, в която възникват вибрации, се нарича равнина на трептенеполяризиран лъч и равнината, перпендикулярна на него - равнина на поляризация.

Поляриметричният метод за анализ се основава на изследването на поляризирана светлина.

Рефрактометричен метод за анализ.

Основата на рефрактометричния метод за анализ е определянето на индекса на пречупване на изследваното вещество, тъй като отделно вещество се характеризира с определен коефициент на пречупване.

Техническите продукти винаги съдържат примеси, които влияят на индекса на пречупване. Следователно индексът на пречупване може в някои случаи да служи като характеристика на чистотата на продукта. Например, сортовете пречистен терпентин се отличават с показатели на пречупване. И така, индексите на пречупване на терпентина при 20 ° за жълто, обозначени с n 20 D (записът означава, че индексът на пречупване е измерен при 20 ° C, дължината на вълната на падащата светлина е 598 mmk), са равни на:

Първи клас Втори клас Трети клас

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

Рефрактометричният метод за анализ може да се използва за бинарни системи, например за определяне на концентрацията на вещество във водни или органични разтвори. В този случай анализът се основава на зависимостта на индекса на пречупване на разтвора от концентрацията на разтвореното вещество.

За някои разтвори има таблици на зависимостта на показателите на пречупване от тяхната концентрация. В други случаи те се анализират с помощта на метода на калибровъчната крива: приготвя се серия от разтвори с известни концентрации, измерват се техните показатели на пречупване и се начертава графика на показателите на пречупване спрямо концентрацията, т.е. изградете калибровъчна крива. Той определя концентрацията на тестовия разтвор.

индекс на пречупване.

Когато лъч светлина преминава от една среда в друга, посоката му се променя. Той се чупи. Коефициентът на пречупване е равен на отношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване (тази стойност е постоянна и характерна за дадена среда):

n = sinα / sinβ,

където α и β са ъглите между посоката на лъчите и перпендикуляра към границата на двете среди (фиг. 1)

Индексът на пречупване е съотношението на скоростите на светлината във въздуха и в изследваната среда (ако лъч светлина пада от въздуха).

Индексът на пречупване зависи от:

1. Дължината на вълната на падащата светлина (когато дължината на вълната се увеличава, индикаторът

рефракцията намалява).

2. температура (с повишаване на температурата индексът на пречупване намалява);

3. налягане (за газове).

Индексът на пречупване показва дължините на вълните на падащата светлина и температурата на измерването. Например, записът n 20 D означава, че индексът на пречупване е измерен при 20°C, дължината на вълната на падащата светлина е 598 микрона. В техническите ръководства индексите на пречупване са дадени при n 20 D.

Определяне на коефициента на пречупване на течност.

Преди започване на работа повърхността на призмите на рефрактометъра се измива с дестилирана вода и алкохол, проверява се правилността на нулевата точка на устройството и се определя коефициентът на пречупване на изследваната течност. За да направите това, повърхността на измервателната призма се избърсва внимателно с памучен тампон, навлажнен с изследваната течност, и няколко капки от нея се нанасят върху тази повърхност. Призмите са затворени и, като ги въртят, насочват границата на светлината и сянката към кръста на нишките на окуляра. Компенсаторът елиминира спектъра. При отчитане на индекса на пречупване се вземат три знака след десетичната запетая по скалата на рефрактометъра, а четвъртият се взема на око. След това те изместват границата на chiaroscuro, отново я комбинират с центъра на зрителния кръст и правят второ броене. Че. Правят се 3 или 5 отчитания, след което работните повърхности на призмите се измиват и забърсват. Тестваното вещество отново се нанася върху повърхността на измервателната призма и се извършва втора серия от измервания. От получените данни се взема средно аритметично.

Радиометричен анализ.

Радиометричен анализ чсе основава на измерване на радиация от радиоактивни елементи и се използва за количествено определяне на радиоактивни изотопи в изпитвания материал. В този случай се измерва или естествената радиоактивност на определяния елемент, или изкуствената радиоактивност, получена с помощта на радиоактивни изотопи.

Радиоактивните изотопи се идентифицират по техния полуживот или по вида и енергията на излъчваната радиация. В практиката на количествения анализ активността на радиоактивните изотопи най-често се измерва чрез тяхното α-, β- и γ-излъчване.

Приложение на радиометричен анализ:

Изследване на механизма на химичните реакции.

Методът на белязания атом се използва за изследване на ефективността различни триковеприлагане на торове в почвата, начини за проникване в тялото на микроелементи, нанесени върху листата на растението и др. Радиоактивният фосфор 32 P и азотът 13 N са особено широко използвани в агрохимичните изследвания.

Анализ на радиоактивни изотопи, използвани за лечение на онкологични заболявания и за определяне на хормони, ензими.

Масов спектрален анализ.

Въз основа на определянето на масите на отделните йонизирани атоми, молекули и радикали в резултат на комбинираното действие на електрически и магнитни полета. Регистрацията на отделените частици се извършва чрез електрически (масспектрометрия) или фотографски (масспектрография) методи. Определянето се извършва на инструменти - масспектрометри или масспектрографи.

Електрохимични методи за анализ.

Електрохимичните методи за анализ и изследване се основават на изучаването и използването на процеси, протичащи на повърхността на електрода или в околоелектродното пространство. Аналитичен сигнал- електрически параметър (потенциал, сила на тока, съпротивление), който зависи от концентрацията на аналита.

Разграничете прави индиректни електрохимични методи. При директните методи се използва зависимостта на силата на тока от концентрацията на анализираното вещество. При индиректен - силата на тока (потенциал) се измерва, за да се намери крайната точка на титруване (точка на еквивалентност) на компонента, определен от титранта.

Електрохимичните методи за анализ включват:

1. потенциометрия;

2. кондуктометрия;

3. кулонометрия;

4. амперометрия;

5. полярография.

Електроди, използвани в електрохимичните методи.

1. Еталонен електрод и индикаторен електрод.

Еталонен електрод- Това е електрод с постоянен потенциал, нечувствителен към йоните на разтвора. Референтният електрод има възпроизводим потенциал, който е стабилен във времето, който не се променя при преминаване на малък ток и потенциалът на индикаторния електрод се отчита спрямо него. Използват се електроди от сребърен хлорид и каломел. Електродът от сребърен хлорид е сребърна тел, покрита със слой AgCl и поставена в разтвор на KCl. Потенциалът на електрода се определя от концентрацията на хлорни йони в разтвора:

Каломеловият електрод се състои от метален живак, каломел и разтвор на KCI. Потенциалът на електрода зависи от концентрацията на хлоридните йони и температурата.

Индикаторен електрод- това е електрод, който реагира на концентрацията на определяните йони. Индикаторният електрод променя своя потенциал с промяна в концентрацията на "потенциал-определящи йони". Индикаторните електроди се делят на необратими и обратими. Потенциалните скокове на обратимите индикаторни електроди на междуфазните граници зависят от активността на участниците в електродните реакции в съответствие с термодинамичните уравнения; равновесието се установява доста бързо. Необратимите индикаторни електроди не отговарят на изискванията за обратимите. В аналитичната химия се използват обратими електроди, за които е изпълнено уравнението на Нернст.

2. Метални електроди: електронен обмен и йонен обмен.

Обмен на електрониелектрод на междуфазната граница протича реакция с участието на електрони. Електронообменните електроди са разделени на електроди първи види електроди втори вид. Електроди от първи вид - метална плоча (сребро, живак, кадмий), потопена в разтвор на силно разтворима сол на този метал. Електроди от втори вид - метал, покрит със слой от слабо разтворимо съединение на този метал и потопен в разтвор на силно разтворимо съединение със същия анион (сребърен хлорид, каломелови електроди).

Йонообменни електроди- електроди, чийто потенциал зависи от съотношението на концентрациите на окислената и редуцирана форма на едно или повече вещества в разтвора. Такива електроди са направени от инертни метали като платина или злато.

3. Мембранни електродите са пореста плоча, импрегнирана с течност, несмесваща се с вода и способна на селективна адсорбция на определени йони (например разтвори на Ni 2+, Cd 2+, Fe 2+ хелати в органичен разтвор). Работата на мембранните електроди се основава на възникването на потенциална разлика на фазовата граница и установяването на обменно равновесие между мембраната и разтвора.

Потенциометричен метод за анализ.

Потенциометричният метод за анализ се основава на измерване на потенциала на електрод, потопен в разтвор. При потенциометричните измервания галваничният елемент се съставя от индикаторен електрод и референтен електрод и се измерва електродвижещата сила (ЕМС).

Разновидности на потенциометрия:

Директна потенциометрияизползва се за директно определяне на концентрацията чрез стойността на потенциала на индикаторния електрод, при условие че електродният процес е обратим.

Индиректна потенциометриясе основава на факта, че промяната в концентрацията на йон е придружена от промяна в потенциала на електрода, потопен в титрувания разтвор.

При потенциометричните титрувания крайната точка се намира по отношение на потенциален скок, дължащ се на замяната на електрохимична реакция с друга в съответствие със стойностите на E ° (стандартен електроден потенциал).

Стойността на потенциала зависи от концентрацията на съответните йони в разтвора. Например, потенциалът на сребърен електрод, потопен в разтвор на сребърна сол, се променя с концентрацията на Ag + йони в разтвора. Следователно, чрез измерване на потенциала на електрод, потопен в разтвор на дадена сол с неизвестна концентрация, е възможно да се определи съдържанието на съответните йони в разтвора.

Електродът, по потенциала на който се съди за концентрацията на йоните, които трябва да се определят в разтвора, се нарича индикаторен електрод.

Потенциалът на индикаторния електрод се определя чрез сравняването му с потенциала на друг електрод, който обикновено се нарича референтен електрод.Като референтен електрод може да се използва само такъв електрод, чийто потенциал остава непроменен при промяна на концентрацията на определяните йони. Като референтен електрод се използва стандартен (нормален) водороден електрод.

На практика често като еталонен електрод с известна стойност на електродния потенциал се използва не водороден, а каломелов електрод (фиг. 1). Потенциалът на каломеловия електрод с наситен разтвор на CO при 20 °C е 0,2490 V.

Кондуктометричен метод за анализ.

Кондуктометричният метод за анализ се основава на измерване на електропроводимостта на разтвори, която се променя в резултат на химични реакции.

Електрическата проводимост на разтвора зависи от естеството на електролита, неговата температура и концентрацията на разтвореното вещество. Електрическата проводимост на разредените разтвори се дължи на движението на катиони и аниони, които се различават по различна подвижност.

С повишаване на температурата електропроводимостта се увеличава, тъй като подвижността на йоните се увеличава. При дадена температура електропроводимостта на електролитен разтвор зависи от концентрацията му: като правило, колкото по-висока е концентрацията, толкова по-голяма е електропроводимостта! Следователно електропроводимостта на даден разтвор служи като индикатор за концентрацията на разтвореното вещество и се определя от подвижността на йоните.

В най-простия случай на кондуктометрично количествено определяне, когато разтворът съдържа само един електролит, се начертава графика като функция на електрическата проводимост на разтвора на аналита спрямо неговата концентрация. След като се определи електрическата проводимост на тестовия разтвор, концентрацията на аналита се намира от графиката.

По този начин електропроводимостта на баритната вода се променя в пряка зависимост от съдържанието на Ba(OH) 2 в разтвора. Тази зависимост се изразява графично с права линия. За да се определи съдържанието на Ba (OH) 2 в баритна вода с неизвестна концентрация, е необходимо да се определи неговата електрическа проводимост и, като се използва графиката за калибриране, да се намери концентрацията на Ba (OH) 2, съответстваща на тази стойност на електрическата проводимост. Ако измерен обем газ, съдържащ въглероден диоксид, премине през разтвор на Ba (OH) 2, чиято електрическа проводимост е известна, тогава CO 2 реагира с Ba (OH) 2:

Ba (OH) 2 + CO 2 → BaCO 3 + H 2 0

В резултат на тази реакция съдържанието на Ba(OH) 2 в разтвора ще намалее и електропроводимостта на баритната вода ще намалее. Чрез измерване на електрическата проводимост на баритна вода, след като тя е абсорбирала CO 2 , може да се определи колко е намаляла концентрацията на Ba(OH) 2 в разтвора. Чрез разликата в концентрациите на Ba (OH) 2 в баритна вода е лесно да се изчисли количеството на абсорбирания

По-голямата част от информацията за веществата, техните свойства и химични трансформации е получена чрез химични или физикохимични експерименти. Следователно основният метод, използван от химиците, трябва да се счита за химичен експеримент.

Традициите на експерименталната химия са се развивали през вековете. Тогава, когато нямаше химия точна наука, в древността и през Средновековието учените и занаятчиите понякога случайно, а понякога целенасочено откриват начини за получаване и пречистване на много вещества, използвани в стопанската дейност: метали, киселини, основи, багрила и др. Натрупването на такава информация беше значително улесни алхимиците (виж Алхимия).

Благодарение на това вече началото на XIXв. химиците бяха добре запознати с основите на експерименталното изкуство, по-специално методите за пречистване на различни течности и твърди вещества, което им позволи да направят много важни открития. Въпреки това, химията започва да се превръща в наука в съвременния смисъл на думата, точна наука, едва през 19 век, когато е открит законът за множествените съотношения и е разработена атомно-молекулярната теория. Оттогава химическият експеримент започва да включва не само изучаването на трансформациите на веществата и методите за тяхното изолиране, но и измерването на различни количествени характеристики.

Съвременният химичен експеримент включва много различни измервания. Оборудването за поставяне на експерименти и химическата стъклария също са променени. В модерна лаборатория няма да намерите домашно приготвени реторти - те са заменени от стандартно оборудване за стъкло, произведено от индустрията и адаптирано специално за извършване на определена химическа процедура. Методите на работа също станаха стандартни, които в наше време вече не трябва да се преоткриват от всеки химик. Описание на най-добрите от тях, доказано от дългогодишен опит, можете да намерите в учебници и ръководства.

Методите за изследване на материята станаха не само по-универсални, но и много по-разнообразни. Все по-голяма роля в работата на химика играят физичните и физикохимичните методи за изследване, предназначени за изолиране и пречистване на съединения, както и за установяване на техния състав и структура.

Класическата техника за пречистване на вещества е изключително трудоемка. Има случаи, когато химиците са прекарали години работа за изолирането на отделно съединение от смес. Така солите на редкоземните елементи могат да бъдат изолирани в чиста форма само след хиляди фракционни кристализации. Но дори и след това не винаги може да се гарантира чистотата на веществото.

Усъвършенстването на технологиите достигна толкова високо ниво, че стана възможно точно да се определи скоростта дори на „моментални“, както се смяташе преди, реакции, например образуването на водни молекули от водородни катиони H + и аниони OH - . При начална концентрация на двата йона, равна на 1 mol/l, времето на тази реакция е няколко стомилиардни от секундата.

Физикохимичните методи за изследване също са специално адаптирани за откриване на краткотрайни междинни частици, образувани в хода на химичните реакции. За да направите това, устройствата са оборудвани или с високоскоростни записващи устройства, или с приставки, които осигуряват работа при много ниски температури. Такива методи успешно улавят спектрите на частици, чийто живот при нормални условия се измерва в хилядни от секундата, като например свободните радикали.

В допълнение към експерименталните методи, изчисленията се използват широко в съвременната химия. По този начин термодинамичното изчисление на реагираща смес от вещества позволява точно да се предскаже нейният равновесен състав (виж фиг.

Анализът на дадено вещество може да се извърши, за да се установи неговият качествен или количествен състав. Съответно се прави разлика между качествен и количествен анализ.

Качественият анализ ви позволява да установите от какви химични елементи се състои анализираното вещество и какви йони, групи от атоми или молекули са включени в неговия състав. При изследване на състава на неизвестно вещество качественият анализ винаги предшества количествения, тъй като изборът на метод за количествено определяне на съставните части на анализираното вещество зависи от данните, получени по време на неговия качествен анализ.

Качественият химичен анализ се основава най-вече на превръщането на аналита в някакво ново съединение с характерни свойства: цвят, определен от физическо състояние, кристална или аморфна структура, специфична миризма и др. Химическата трансформация, която се случва в този случай, се нарича качествена аналитична реакция, а веществата, които причиняват тази трансформация, се наричат ​​реагенти (реактиви).

Когато се анализира смес от няколко вещества с подобни химични свойства, те първо се разделят и едва след това се провеждат характерни реакции за отделните вещества (или йони), следователно качественият анализ обхваща не само отделните реакции за откриване на йони, но и методите за тяхното раздяла.

Количественият анализ ви позволява да установите количественото съотношение на частите на дадено съединение или смес от вещества. За разлика от качествения анализ, количественият анализ дава възможност да се определи съдържанието на отделни компоненти на аналита или общото съдържание на аналита в тествания продукт.

Методите за качествен и количествен анализ, позволяващи да се определи съдържанието на отделни елементи в анализираното вещество, се наричат ​​елементи на анализ; функционални групи - функционален анализ; индивидуален химични съединения, характеризиращ се с определено молекулно тегло – молекулярен анализ.

Набор от различни химични, физични и физико-химични методи за разделяне и определяне на отделни структурни (фазови) компоненти на хетерогенни системи, които се различават по свойства и физическа структураи ограничени един от друг чрез интерфейси, се нарича фазов анализ.

Методи за качествен анализ

Качественият анализ използва характерни химични или физични свойства на веществото, за да установи състава на изследваното вещество. Съвсем не е необходимо откритите елементи да се изолират в чист вид, за да се открие наличието им в анализираното вещество. Въпреки това, изолирането на метали, неметали и техните съединения в чиста форма понякога се използва в качествения анализ за тяхната идентификация, въпреки че този начин на анализ е много труден. За откриване на отделни елементи се използват по-прости и по-удобни методи за анализ, основани на химични реакции, характерни за йоните на тези елементи и протичащи при строго определени условия.

Аналитичен признак за наличието на желания елемент в анализираното съединение е отделянето на газ със специфична миризма; в другата - валежите, характеризиращи се с определен цвят.

Реакции между твърди вещества и газове. Аналитичните реакции могат да протичат не само в разтвори, но и между твърди и газообразни вещества.

Пример за реакция между твърди вещества е реакцията на отделяне на метален живак, когато сухите му соли се нагряват с натриев карбонат. Образуването на бял дим от взаимодействието на газообразен амоняк с хлороводород може да служи като пример за аналитична реакция, включваща газообразни вещества.

Реакциите, използвани в качествения анализ, могат да бъдат разделени на следните групи.

1. Реакции на утаяване, придружени от образуване на утайки различни цветове. Например:

CaC2O4 - бял

Fe43 - синьо,

CuS - кафяво - жълто

HgI2 - червен

MnS - телесно - розово

PbI2 - златен

Получените утайки могат да се различават по определена кристална структура, разтворимост в киселини, основи, амоняк и др.

2. Реакции, придружени с образуване на газове с известна миризма, разтворимост и др.

3. Реакции, придружени от образуване на слаби електролити. Сред такива реакции, които водят до образуването на: CH3COOH, H2F2, NH4OH, HgCl2, Hg(CN)2, Fe(SCN)3 и др. Реакциите от същия тип могат да се считат за реакции на киселинно-алкално взаимодействие, придружени от образуването на неутрални водни молекули, реакции на образуване на газове и утайки, които са слабо разтворими във вода, и реакции на комплексообразуване.

4. Реакции на киселинно-базово взаимодействие, придружени от преход на протони.

5. Реакции на комплексообразуване, придружени от добавяне на различни легенди - йони и молекули - към атомите на комплексообразователя.

6. Реакции на комплексообразуване, свързани с киселинно-алкално взаимодействие

7. Окислителни реакции - редукции, придружени с преход на електрони.

8. Окислителни реакции - редукции, свързани с киселинно-основно взаимодействие.

9. Окислително-редукционни реакции, свързани с образуването на комплекси.

10. Окислителни реакции - редукции, придружени с образуване на утайки.

11. Йонообменни реакции, протичащи върху катионобменници или анионобменници.

12. Каталитични реакции, използвани в кинетичните методи за анализ

Мокър и сух анализ

Реакциите, използвани в качествения химичен анализ, най-често се извършват в разтвори. Аналитът първо се разтваря и след това полученият разтвор се третира с подходящи реагенти.

За разтваряне на аналита се използват дестилирана вода, оцетна и минерална киселина, царска вода, воден разтвор на амоняк, органични разтворители и др. Чистотата на използваните разтворители е важно условие за получаване на правилни резултати.

Веществото, прехвърлено в разтвор, се подлага на систематичен химичен анализ. Систематичният анализ се състои от серия от предварителни тестове и последователно проведени реакции.

Химическият анализ на изпитваните вещества в разтвори се нарича мокър анализ.

В някои случаи веществата се анализират сухи, без да се прехвърлят в разтвор. Най-често такъв анализ се свежда до тестване на способността на дадено вещество да оцветява безцветен пламък на горелка в характерен цвят или да придава определен цвят на стопилка (така наречената перла), получена чрез нагряване на вещество с натриев тетраборат ( боракс) или натриев фосфат ("фосфорна сол") в платинена тел.

Химически и физичен метод за качествен анализ.

Химични методи за анализ. Методите за определяне на състава на веществата въз основа на използването на техните химични свойства се наричат ​​химични методи за анализ.

Химичните методи за анализ са широко използвани в практиката. Те обаче имат редица недостатъци. Така че, за да се определи съставът на дадено вещество, понякога е необходимо първо да се отдели определяемият компонент от чужди примеси и да се изолира в неговата чиста форма. Изолирането на вещества в чиста форма често е много трудна и понякога невъзможна задача. Освен това, за да се определят малки количества примеси (по-малко от 10-4%), съдържащи се в аналита, понякога е необходимо да се вземат големи проби.

Физични методи за анализ. Наличието на едното или другото химичен елементмогат да бъдат открити в пробата, без да се прибягва до химични реакции, базирани директно на изследването на физичните свойства на изследваното вещество, например оцветяване на безцветен пламък на горелка в характерни цветове летливи съединениянякои химични елементи.

Методите за анализ, чрез които е възможно да се определи съставът на изследваното вещество, без да се прибягва до използването на химични реакции, се наричат ​​физични методи за анализ. Физичните методи за анализ включват методи, основани на изследване на оптични, електрически, магнитни, топлинни и други физични свойства на анализираните вещества.

Сред най-широко използваните физични методи за анализ са следните.

Спектрален качествен анализ. Спектралния анализ се основава на наблюдение на емисионни спектри (емисионни спектри или радиация) на елементите, които изграждат аналита.

Луминесцентен (флуоресцентен) качествен анализ. Луминесцентният анализ се основава на наблюдението на луминесценцията (излъчването на светлина) на аналитите, причинена от действието на ултравиолетовите лъчи. Методът се използва за анализ на естествени органични съединения, минерали, лекарства, редица елементи и др.

За да се възбуди луминесценцията, тестваното вещество или неговият разтвор се облъчват с ултравиолетови лъчи. В този случай атомите на материята, погълнали определено количество енергия, преминават във възбудено състояние. Това състояние се характеризира с по-голям запас от енергия от нормалното състояние на материята. По време на прехода на веществото от възбудено към нормално състояние възниква луминесценция поради излишък на енергия.

Луминесценцията, която затихва много бързо след прекратяване на облъчването, се нарича флуоресценция.

Наблюдавайки естеството на луминисцентното сияние и измервайки интензитета или яркостта на луминесценцията на съединение или неговите разтвори, можете да прецените състава на изследваното вещество.

В някои случаи дефинициите се основават на изследване на флуоресценцията в резултат на взаимодействието на аналита с определени реагенти. Известни са и флуоресцентни индикатори, които се използват за определяне на реакцията на средата чрез промяна на флуоресценцията на разтвора. Луминесцентни индикатори се използват при изследване на цветни среди.

Рентгенов дифракционен анализ. С помощта на рентгенови лъчи е възможно да се установят размерите на атомите (или йоните) и тяхното взаимно разположение в молекулите на изследваната проба, т.е. възможно е да се определи структурата кристална решетка, състава на веществото и понякога наличието на примеси в него. Методът не изисква химическа обработка на веществото и големи количества.

Масспектрометричен анализ. Методът се основава на определянето на отделни йонизирани частици, отклонени от електромагнитно поле в по-голяма или по-малка степен в зависимост от съотношението на тяхната маса към заряд (за повече подробности вижте книга 2).

Физическите методи за анализ, които имат редица предимства пред химичните, в някои случаи позволяват да се решат проблеми, които не могат да бъдат разрешени с методите на химичния анализ; с помощта на физични методи е възможно да се разделят елементи, които трудно се разделят чрез химични методи, както и да се провежда непрекъснато и автоматично записване на показанията. Много често наред с химичните се използват физични методи за анализ, което дава възможност да се използват предимствата и на двата метода. Комбинацията от методи е от особено значение при определяне на незначителни количества (следи) от примеси в анализираните обекти.

Макро, полумикро и микро методи

Анализ на големи и малки количества от тестваното вещество. В старите времена химиците са използвали големи количества от веществото за анализ. За да се определи съставът на дадено вещество, се вземат проби от няколко десетки грама, които се разтварят в голям обем течност. Това също изисква химически стъклени съдове с подходящ капацитет.

В момента химиците се справят в аналитичната практика с малки количества вещества. В зависимост от количеството на аналита, обема на разтворите, използвани за анализ, и главно от техниката, използвана за извършване на експеримента, методите за анализ се разделят на макро-, полу-микро- и микро-методи.

При извършване на макроанализ за провеждане на реакцията се вземат няколко милилитра разтвор, съдържащ най-малко 0,1 g от веществото, и към тестовия разтвор се добавя най-малко 1 ml от разтвора на реагента. Реакциите се провеждат в епруветки. При утаяването се получават обемни утайки, които се отделят чрез филтриране през фунии с хартиени филтри.

Анализ на падане

Техника за провеждане на реакции при анализ на капки. Така нареченият капков анализ, въведен в аналитичната практика от Н. А. Тананаев, придоби голямо значение в аналитичната химия.

При използване на този метод голямо значениеимат явленията капилярност и адсорбция, с помощта на които е възможно да се отварят и разделят различни йони в тяхното съвместно присъствие. При анализ на капки индивидуалните реакции се провеждат върху порцеланови или стъклени плочи или върху филтърна хартия. В този случай капка от тестовия разтвор и капка реагент, който предизвиква характерно оцветяване или образуване на кристали, се нанасят върху плочата или хартията.

При извършване на реакцията върху филтърна хартия се използват капилярно-адсорбционните свойства на хартията. Течността се абсорбира от хартията и полученото оцветено съединение се адсорбира върху малка площ от хартията, като по този начин се повишава чувствителността на реакцията.

Микрокристалоскопски анализ

Микрокристалоскопският метод за анализ се основава на откриването на катиони и аниони чрез реакция, в резултат на която се образува съединение, което има характерна кристална форма.

Преди това този метод се използваше при качествен микрохимичен анализ. В момента се използва и при капков анализ.

За изследване на получените кристали при микрокристалоскопски анализ се използва микроскоп.

кристали характерна формасе използват при работа с чисти вещества чрез въвеждане на капка от разтвор или кристал от реагент в капка от тестваното вещество, поставена върху предметно стъкло. След известно време се появяват ясно различими кристали с определена форма и цвят.

Метод на смилане на прах

За откриване на някои елементи понякога се използва методът на смилане на прахообразен аналит с твърд реагент в порцеланова чиния. Елементът, който трябва да бъде открит, се открива чрез образуването на характерни съединения, които се различават по цвят или мирис.

Методи за анализ, базирани на нагряване и топене на вещество

пирохимичен анализ. За анализ на вещества се използват и методи, базирани на нагряване на изпитваното твърдо вещество или неговото сливане с подходящи реактиви. Някои вещества, когато се нагряват, се топят при определена температура, други се възвишават и върху студените стени на устройството се появява утайка, характерна за всяко вещество; някои съединения при нагряване се разлагат с отделяне на газообразни продукти и др.

При нагряване на аналита в смес със съответните реактиви протичат реакции, придружени с промяна на цвета, отделяне на газообразни продукти и образуване на метали.

Спектрален качествен анализ

В допълнение към описания по-горе метод за наблюдение с невъоръжено око на оцветяването на безцветен пламък, когато в него се въведе платинена жица с анализирано вещество, понастоящем широко се използват други методи за изследване на светлината, излъчвана от нажежени пари или газове. Тези методи се основават на използването на специални оптични устройства, чието описание е дадено в курса по физика. В такива спектрални устройства се получава разлагане на спектър от светлина с различни дължини на вълната, излъчвана от проба от вещество, нагрято в пламък.

В зависимост от начина на наблюдение на спектъра, спектралните инструменти се наричат ​​спектроскопи, които се използват за визуално наблюдение на спектъра, или спектрографи, в които спектрите се фотографират.

Метод за хроматографски анализ

Методът се основава на селективната абсорбция (адсорбция) на отделни компоненти на анализираната смес от различни адсорбенти. Адсорбентите се наричат твърди телавърху чиято повърхност се абсорбира адсорбираното вещество.

Същността на хроматографския метод за анализ е накратко следната. Разтвор на смес от вещества, които трябва да се разделят, преминава през стъклена тръба (адсорбционна колона), пълна с адсорбент.

Кинетични методи за анализ

Методите за анализ, базирани на измерване на скоростта на реакцията и използването на нейната величина за определяне на концентрацията, се обединяват под общото наименование кинетични методи за анализ (K. B. Yatsimirsky).

Качественото откриване на катиони и аниони чрез кинетични методи се извършва доста бързо и сравнително просто, без използването на сложни инструменти.

1. Вземане на проби:

Лабораторната проба се състои от 10-50 g материал, който се взема така, че средният му състав да съответства на средния състав на цялата партида на аналита.

2. Разлагане на пробата и прехвърлянето й в разтвора;

3. Провеждане на химична реакция:

X е компонентът, който трябва да се определи;

Р е реакционният продукт;

R е реагент.

4. Измерване на всеки физичен параметър на реакционния продукт, реагент или аналит.

Класификация на химичните методи за анализ

аз По реакционни компоненти

1. Измерете количеството на образувания реакционен продукт P (гравиметричен метод). Създайте условия, при които аналитът напълно се превръща в реакционен продукт; освен това е необходимо реагентът R да не дава второстепенни реакционни продукти с чужди вещества, чиито физични свойства биха били подобни на физичните свойства на продукта.

2. Въз основа на измерването на количеството реагент, изразходван в реакцията с аналита X:

– действието между X и R трябва да бъде стехиометрично;

- реакцията трябва да протича бързо;

– реактивът не трябва да реагира с чужди вещества;

– необходим е начин за установяване на точката на еквивалентност, т.е. моментът на титруване, когато реагентът се добавя в еквивалентно количество (индикатор, промяна на цвета, о-в капацитет, електропроводимост).

3. Записва промените, които настъпват със самия аналит X в процеса на взаимодействие с реагент R (газов анализ).

II Видове химични реакции

1. Киселинно-базов.

2. Образуване на комплексни съединения.

Киселинно-алкални реакции:използвани главно за директно количествено определяне на силни и слаби киселинии основи и техните соли.

Реакции за образуване на комплексни съединения:определени вещества се превръщат в сложни йони и съединения чрез действието на реагенти.

Следните методи за разделяне и определяне се основават на реакции на образуване на комплекси:

1) Разделяне чрез утаяване;

2) Метод на екстракция (неразтворимите във вода комплексни съединения често се разтварят добре в органични разтворители - бензен, хлороформ - процесът на прехвърляне на комплексни съединения от водни фази към диспергирани се нарича екстракция);

3) Фотометрични (Co с азотиста сол) - измерват оптималната плътност на разтвори на комплексни съединения;

4) Титриметричен метод за анализ

5) Гравиметричен метод на анализ.

1) метод на циментация - редукция на метални Me йони в разтвор;

2) електролиза с живачен катод - по време на електролизата на разтвор с живачен катод се редуцират йони на много елементи токов ударкъм Мен, които се разтварят в живак, образувайки амалгама. Йоните на другите Me остават в разтвор;

3) метод за идентификация;

4) титриметрични методи;

5) електрогравиметричен - през тестовия разтвор се прекарва ел. ток с определено напрежение, докато Me йоните се възстановяват до състояние Me, освободеното се претегля;

6) кулонометричен метод - количеството на дадено вещество се определя от количеството електричество, което трябва да се изразходва за електрохимичното преобразуване на анализираното вещество. Реагентите за анализ се намират съгласно закона на Фарадей:

M е количеството на определяния елемент;

F е числото на Фарадей (98500 C);

А е атомната маса на елемента;

n е броят на електроните, участващи в електрохимичната трансформация на даден елемент;

Q е количеството електричество (Q = I ∙ τ).

7) каталитичен метод за анализ;

8) полярографски;

III Класификация на методите за разделяне, базирани на използването на различни видове фазови трансформации:

Известни са следните видове равновесия между фазите:

Равновесието L-G или T-G се използва в анализа, когато веществата се отделят в газовата фаза (CO 2 , H 2 O и др.).

Равновесието W 1 - W 2 се наблюдава при метода на екстракция и при електролиза с живачен катод.

Ж-Т е характерен за процесите на отлагане и процесите на утаяване върху повърхността на твърдата фаза.

Методите за анализ включват:

1. гравиметричен;

2. титриметричен;

3 оптични;

4. електрохимичен;

5. каталитичен.

Методите за разделяне включват:

1. валежи;

2. добиване;

3. хроматография;

4. йонообменна.

Методите за концентрация включват:

1. валежи;

2. добиване;

3. фугиране;

4. събличане.

Физични методи за анализ

Характерна особеност е, че те директно измерват всички физически параметри на системата, свързани с количеството на определяния елемент, без предварителна химическа реакция.

Физическите методи включват три основни групи методи:

I Методи, базирани на взаимодействието на радиация с вещество или на измерване на радиацията на вещество.

II Методи, базирани на измерване на параметрите на ел. или магнитни свойства на материята.

III Методи, базирани на измерване на плътност или други параметри на механичните или молекулярните свойства на веществата.

Методи, базирани на енергийния преход на външните валентни електрони на атомите: включват методи за анализ на атомна емисия и атомна абсорбция.

Анализ на атомните емисии:

1) Пламъчна фотометрия - анализираният разтвор се впръсква в пламъка на газова горелка. Под въздействието на висока температура атомите преминават във възбудено състояние. Външните валентни електрони се придвижват към по-високи енергийни нива. Обратният преход на електроните към основното енергийно ниво е придружен от радиация, чиято дължина на вълната зависи от атомите на кой елемент са били в пламъка. Интензитетът на излъчването при определени условия е пропорционален на броя на атомите на елемента в пламъка, а дължината на вълната на излъчването характеризира качествения състав на пробата.

2) Емисионен метод за анализ – спектрален. Пробата се въвежда в пламъка на дъга или кондензирана искра, при висока температура атомите преминават във възбудено състояние, докато електроните преминават не само към най-близките до основните, но и към по-отдалечените енергийни нива.

Радиацията е сложна смес от светлинни вибрации с различни дължини на вълната. Емисионният спектър се разлага на основните части на специалните. инструменти, спектрометри и фотографиране. Сравнението на позицията на интензитета на отделните линии на спектъра с линиите на съответния стандарт ви позволява да определите качествения и количествения анализ на пробата.

Атомно-абсорбционни методи за анализ:

Методът се основава на измерване на поглъщането на светлина с определена дължина на вълната от невъзбудени атоми на определяния елемент. Специален източник на радиация произвежда резонансно излъчване, т.е. излъчване, съответстващо на прехода на електрон към най-ниската орбитала с най-ниска енергия, от най-близката до него орбитала с повече високо нивоенергия. Намаляването на интензитета на светлината при преминаване през пламъка поради прехвърлянето на електроните на атомите на определяния елемент във възбудено състояние е пропорционално на броя на невъзбудените атоми в него. При атомната абсорбция се използват горими смеси с температури до 3100 ° C, което увеличава броя на елементите, които трябва да се определят, в сравнение с пламъчната фотометрия.

Рентгенови флуоресцентни и рентгенови емисии

Рентгенова флуоресцентна: пробата е изложена на рентгеново лъчение. топ електрони. Най-близките до ядрото на атома орбитали са избити от атомите. Тяхното място се заема от електрони от по-отдалечени орбитали. Преходът на тези електрони е придружен от появата на вторично рентгеново лъчение, чиято дължина на вълната е функционално свързана с атомно числоелемент. Дължина на вълната - качествен състав на пробата; интензитет - количественият състав на пробата.

Методи, базирани на ядрени реакции - радиоактивни. Материалът е изложен на неутронно лъчение, възникват ядрени реакции и се образуват радиоактивни изотопи на елементи. След това пробата се прехвърля в разтвор и елементите се разделят чрез химични методи. След това се измерва интензитетът на радиоактивното излъчване на всеки елемент от пробата и паралелно се анализира референтната проба. Сравняват се интензитетите на радиоактивното излъчване на отделни фракции от еталонната проба и анализирания материал и се правят заключения за количественото съдържание на елементите. Граница на откриване 10 -8 - 10 -10%.

1. Кондуктометричен - базира се на измерване на електропроводимостта на разтвори или газове.

2. Потенциометричен – съществува метод на директно и потенциометрично титруване.

3. Термоелектрически - основава се на възникването на термоелектродвижеща сила, която възниква при нагряване на мястото на контакт на стомана и др. Me.

4. Масспектрален - приложен с помощта на силни елементи и магнитни полета, се получава разделяне газови смесина компоненти според атомите или молекулните тегла на компонентите. Използва се при изследване на смес от изотопи. инертни газове, смеси от органични вещества.

Денситометрия - базира се на измерване на плътността (определяне на концентрацията на вещества в разтвори). За определяне на състава се измерват вискозитет, повърхностно напрежение, скорост на звука, електропроводимост и др.

За да се определи чистотата на веществата, се измерва точката на кипене или точката на топене.

Прогноза и изчисляване на физични и химични свойства

Теоретични основи за прогнозиране на физикохимичните свойства на веществата

Приблизително изчисляване на прогнозата

Прогнозата предполага оценка на физикохимичните свойства въз основа на минимален брой лесно достъпни първоначални данни и може също така да приеме пълната липса на експериментална информация за свойствата на изследваното вещество („абсолютното“ прогнозиране разчита само на информация за стехиометричната формула на съединението).