Предмет и задачи аналитической химии

Любое вещество состоит из одного или нескольких химических элементов. Установить состав вещества – значит определить, какие химические элементы образуют это вещество. Такая задача решается методами химического анализа.

Аналитическая химия – это наука о методах определения качественного и количественного состава веществ или их смесей по интенсивности аналитического сигнала.

Задача качественного анализа – обнаружение компонентов (или ионов), содержащихся в анализируемом веществе.

Например:

1. В пробирке находится неизвестный раствор. Необходимо обнаружить, какое конкретно вещество содержится в растворе. Используя методы и приемы качественного анализа, определяют, что в растворе находятся ионы К и Сl, т.е. в пробирке находится хлорид калия КСl.

2. В камере находится смесь газов. Необходимо определить, какие газы находятся в камере. Используя методы и приемы качественного анализа, определяют что в камере находится углекислый газ, метан, пары спирта.

Для анализа используют только такие реакции, которые сопровождаются наглядным внешним эффектом, например, изменением окраски раствора, выделением газов, выпадением и растворением осадков и т.п. Эти внешние эффекты и будут в данном случае аналитическими сигналами. Происходящее химические изменения называют аналитическими реакциями, а вещества, вызывающие эти реакции – химическими реагентами.

Задача количественного анализа заключается в определении содержания составных частей сложного материала. Количественный анализ, используя присущие ему методы и приемы, позволяет ответить не только на вопрос «какой» состав, но и «сколько» в смеси или веществе составных частей. Результаты количественного анализа обычно выражают в массовых долях (%).

Например:

1. Методами количественного анализа установлено, что в состав воды входит 11,11% водорода и 88,89 % кислорода.

2. Методами количественного анализа установлено, что в состав соснового скипидара входит a-пинена 73,7 %; камфена 1,4%, b-пинена 6,3 %, D³-карена 6,5 %; лимонена 4,3 % и высококипящих веществ 7,8 %.

Исследуя новое соединение, прежде всего устанавливают, из каких компонентов (или ионов) оно состоит, а затем находят их количественные соотношения. Поэтому качественный анализ вещества предшествует количественному.

Методы аналитической химии

В настоящее время аналитическая химия пользуется многочисленными и разнообразными методами, которые подразделяются на химические, физические и физико-химические. Химические методы основаны на химических реакциях, протекающих в растворах с образованием осадков, окрашенных соединений или газообразных веществ. Многие химические методы стали классическими и хорошо проверены. Тем не менее они не всегда удовлетворяют современным требованиям, особенно при проверке чистоты веществ. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют некоторые физические и физико-химические (инструментальные) методы.

При использовании химического метода анализируемые вещества могут находиться в твердом, жидком или газообразном состояниях, поэтому качественные химические реакции выполняют «сухим» или «мокрым» путем.

Если реакцию проводят в растворе, то такой способ выполнения называют «мокрым путем». Способ выполнения анализа с твердыми веществами без использования растворителей называют «сухим путем». Это пирохимический анализ и анализ методом растирания. При пирохимическом анализе исследуемое вещество нагревают в пламени газовой горелки. При этом летучие соли (хлориды, нитраты, карбонаты) ряда металлов придают пламени характерную окраску. Например, соли натрия окрашивают пламя в желтый цвет, кальция – в кирпично-красный, меди – в ярко-зеленый, калия – в фиолетовый, бария – в желто-зеленый, бора – в ярко-зеленый, свинца и мышьяка – в бледно-голубой, стронция – в карминово-красный. Другой прием пиротехнического анализа – получение окрашенных перлов (стекол). Для получения перлов соли и оксиды металлов сплавляют с тетраборатом натрия (Na₂B₄O₇´10 H₂O) или гидрофосфатом натрия-аммония (NaNH₄HPO₄ ´ 4 Н₂О) и наблюдают окраску образующихся стекол (перлов). Хром дает изумрудно-зеленые перлы, кобальт – интенсивно-синие, железо – желто-бурые.

Метод растирания предложил в 1898 году Ф.М.Флавицкий. Твердое исследуемое вещество растирают с твердым реагентом и наблюдают внешний эффект. Например, соли кобальта с тиоциантом аммония дают синее окрашивание.

При анализе физическими методами не прибегают к химическим реакциям, а изучают физические свойства вещества с помощью приборов. Физические методы анализа основаны на существовании определенных зависимостей между физическими свойствами вещества и его химическим составом. Из них большое значение имеют оптические методы анализа: спектральный, люминесцентный и рефрактометрический.

а) Спектральный анализ.

О присутствии того или иного элемента судят по наличию в спектре линий, характерных для этого элемента. Количественное определение элемента производят по интенсивности этих линий. Этот метод позволяет обнаружить элементы при содержании их около 10^-6 – 10^{-8 г. С помощью этого метода открыт ряд элементов в составе солнца и звезд.}

б) Люминесцентный (флуоресцентный) анализ использует свечение исследуемого объекта, возникающее под действием ультрафиолетовых лучей, источником которых служит ртутная кварцевая лампа или другой вид лучей. Однако он применим для обнаружения не всех элементов, так как не все вещества люминесцируют. Этот метод позволяет обнаруживать очень маленькие количества примесей – порядка 10^-10 – 10^{-13 г.}

в) Рефрактометрический анализ основан на зависимости между показателем преломления, концентрацией растворенного вещества и его молекулярным составом.

К физическим методам относят также:

Радиометрический анализ основан на измерении радиоактивного излучения.

Рентгеноструктурный анализ – использует рентгеновские лучи для изучения строения вещества.

Масс-спектрометрический анализ позволяет определить массу атомов, молекул, ионов, радикалов.

С помощью физико-химических методов изучают физические явления, которые происходит при химических реакциях.

К физико-химическим методам относят:

а) Колориметрический анализ – основан на сравнении интенсивности окраски исследуемого и стандартного растворов, при этом интенсивность окраски находится в зависимости от концентрации вещества.

б) Кондуктометрический анализ – основан на измерении электрической проводимости растворов в зависимости от их концентрации и состава.

в) Потенциометрический метод – измеряют влияние потенциала электрода, находящегося в исследуемом растворе, от концентрации определенных ионов в растворе.

г) Полярографический метод – учитывает измерение силы тока с ростом напряжения при электролизе анализируемого раствора (прибор полярограф).

д) Хроматографичский метод – позволяет разделять смеси веществ на отдельные компоненты. Метод основан на использовании сорбционных процессов в динамических и статистических условиях. Вследствие различной сорбируемости компонентов смеси происходит их разделение по длине колонки, заполненной сорбентом, за счет многократного повторения сорбции, десорбции и других процессов.

В зависимости от вида сорбции (адсорбция, абсорбция, хемосорбция, капиллярная конденсация) подразделяют и методы хроматографического анализа.