Обработка результатов анализа
ЭТАПЫ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
1. Отбор пробы.
2. Подготовка пробы к анализу (высушивание, вскрытие, удаление мешающих компонентов).
3. Проведение измерения.
4. Обработка результатов.
Отбор пробы
Чтобы получить разумные результаты, для анализа следует отобрать пробу, средний состав которой правильно отражает средний состав всего анализируемого объекта, так называемую представительную (среднюю) пробу.
Способ отбора пробы и размеры ее определяются:
- агрегатным состоянием (твердое, жидкое, газообразное);
- неоднородностью анализируемого объекта и размером частиц, с которого начинается неоднородность (в хорошо перемешанных газах и жидкостях неоднородность существует только на молекулярном уровне; другое дело - твердые объекты, как руды или почвы - здесь неоднородность возникает на уровне частиц размером порядка 1 см);
- требованием к точности анализа.
Общая надежность анализа не может превышать надежность отбора пробы; даже самая тщательная работа над плохо отобранной пробой - просто трата сил.
Отбор пробы из гомогенных жидкостей и газов. Для уверенности, что гомогенность действительно существует, всякий раз, когда это возможно, анализируемый материал нужно хорошо перемешать, прежде чем отобрать пробу. Перемешивание больших объемов жидкости иногда неосуществимо; тогда следует отбирать несколько порций при помощи пробоотборника - сосуда, который можно открыть и заполнить раствором в любом нужном месте. (Такой способ отбора пробы важен, например, при определении состава жидкостей, соприкасающихся с атмосферой, - так, содержание кислорода в озерной воде может различаться почти в 1000 раз при изменении уровня отбора пробы на метр-полтора.)
Пробы промышленных газов и жидкостей часто отбирают непрерывно по мере вытекания из труб; в этих случаях следует позаботиться о том, чтобы отобранная проба представляла постоянную часть общего потока и отбор производили из определенных частей потока.
При отборе проб сплавов в жидком состоянии они считаются однородными и пробы отбирают специальной ошлакованной металлической ложкой с длинной ручкой по ходу плавки (для контроля процесса выплавки металла) и из-под ковша, когда металл готов (маркировочные пробы). Металл, естественно, застывает, и усредняют пробу уже по правилам пробоотбора из твердых слитков.
Процесс получения представительной пробы из образца твердого материала в значительной мере более сложен. Разработаны специальные методики, позволяющие свести до минимума возможные ошибки (они включаются в аналитические ГОСТы или специальные инструкции по отбору проб). Так, можно отбирать каждую десятую лопату или тачку груза или можно снимать каждую десятую конфету с ленты конвейера.
Основное правило: систематический равномерный отбор вещества из разных зон по всему объему анализируемого материала.
Поступившая в аналитическую лабораторию представительная проба имеет сравнительно большую массу. Она называется первичная (или генеральная) и в зависимости от вида объекта имеет массу от 1 до 50 кг. Ее измельчают и отбирают среднюю лабораторную пробу (массой 25 г - 1 кг). Для того, чтобы уменьшить массу, но сохранить средний состав, используют – квартование. Пробу раскладывают в виде квадрата и делят диагоналями на четыре треугольника. Две противоположные части отбрасывают, а две другие соединяют, еще раз измельчают и снова проводят квартование. Если надо - еще раз и т.д. Полученная лабораторная проба еще раз измельчается, просеивается через соответствующее сито без остатка и помещается в банку с притертой пробкой. В лабораторной пробе должно хватить материала на три вида работ: предварительные испытания (например, определение влажности), химический анализ (собственно цель всей этой работы) и арбитражный анализ (хранится в лаборатории в течение 6 месяцев, если возникнут рекламации, можно анализ повторить, в том числе другим методом или предоставить пробу для анализа в арбитражную лабораторию). Перед взятием навески для анализа пробу в банке следует тщательно перемешивать, а сам отбор навески производить из двух-трех мест на разной глубине.
Из подготовленной средней пробы берут точную навеску для анализа. Результаты количественного анализа обычно представляют в относительных единицах, т.е. количество определяемого компонента относят к единице массы или объема пробы. Поэтому массу или объем пробы необходимо знать до начала анализа. Примерную навеску для анализа рассчитывают заранее, исходя из ориентировочного содержания определяемого компонента в пробе (а если оно неизвестно - проводят предварительных испытаний); и выбранного метода анализа (они имеют разную чувствительность). При массе меньше оптимальной заметно возрастает относительная погрешность определения, а увеличение массы, не давая никаких преимуществ в точности, может привести к увеличению длительности анализа.
Подготовка пробы к анализу
Чаще всего анализ проводится в растворе образца. В идеальном случае растворитель должен растворять всю исходную пробу (а не только определяемый компонент) быстро и в достаточно мягких условиях, чтобы не происходило потерь определяемого вещества. К сожалению, для многих, а вернее, для большинства материалов таких растворителей не существует. Обычно приходится иметь дело с материалами, трудно поддающимися обработке, такими, как руды, высокомолекулярные соединения, животные ткани. Переведение определяемого компонента такого материала в растворимое состояние часто сложная задача, требующая больших затрат времени и труда, представляющая собой многостадийный процесс.
Обычно выделяют три основных стадии:
1. высушивание образца;
2. разложение (вскрытие) пробы, растворение;
3. удаление мешающих компонентов.
Наличие воды в пробе - обычное явление. Вода может присутствовать как загрязнение из атмосферы или раствора, в котором формировалось вещество. Она может быть также химически связана (кристаллизационная вода кристаллогидратов, конституционная вода, которая выделяется из некоторых веществ при их температурной обработке: Ca(OH)2 ® CaO + H2O). Независимо от происхождения вода влияет на состав пробы. Содержание воды в образцах одного и того же материала - величина переменная, и меняется в зависимости от влажности, температуры и степени измельчения (для разных способов удерживания воды - по-разному).
В зависимости от свойств анализируемого материала и способа связывания в нем воды либо высушивают его (то есть полностью удаляют воду, либо доводят до постоянного состава (высушивают при фиксированных условиях, доводя таким образом содержание влаги до какого-то воспроизводимого уровня), либо определяют содержание влаги в отдельной пробе образца, а затем пересчитывают результаты анализа на сухое вещество.
Для разложения пробы существует множество методов, из которых выбирают наиболее подходящий, в зависимости от следующих факторов: природа определяемого компонента (прежде всего его химические свойства, например, растворимость); химический состав образца (природа матрицы: одно дело - металлы, другое - почвы); цели анализа и выбранный метод анализа.
Способы разложения делятся на "сухие" и "мокрые". К сухим относятся термическое разложение, сплавление и спекание; а к мокрым - растворение в различных растворителях.
«Мокрые» способы предпочтительнее с точки зрения простоты выполнения операций. Растворитель выбирают такой, чтобы в достаточно мягких условиях, быстро и без значительных химических превращений перевести вещество в раствор. Идеальным растворителем была бы дистиллированная вода, если бы в ней всё растворялось - но это не так. Используют также органические растворители: спирты, эфиры и т.д. В большинстве методов разложения используют минеральные кислоты или их водные растворы; преимущества здесь в том, что они растворяют широкий круг объектов, даже без нагревания или при сравнительно невысокой температуре - на песчаной или водяной бане, не вносят дополнительных катионов в раствор, избыток кислот удаляется из раствора простым нагреванием.
"Сухие" способы применяют, если нельзя использовать мокрый, так как:
1. значительно выше температура разложения (а следовательно, выше и потери летучих соединений),
2. более или менее разрушается посуда, в которой идет обработка (а значит, происходит загрязнение образца),
3. необходимо использовать значительный избыток реактивов.
Термическое разложение. Это разложение пробы при нагревании, сопровождающееся образованием одного или нескольких компонентов газовой фазы.
Термическое разложение можно проводить как в отсутствие (пиролиз), так и в присутствии (сухое озоление) веществ, реагирующих с разлагаемым соединением.
Удаление мешающих компонентов.
Лишь очень немногие химические и физические свойства, применяемые в качестве аналитических сигналов, специфичны для одного из химических соединений, присутствующих в пробе. Напротив, практически правилом является то, что аналитические сигналы разных веществ часто бывают настолько близки, что воспринимающие устройства, будь то глаз или сложный прибор, не в состоянии их различить. Отсюда и дополнительная аналитическая задача: отделение интересующего нас компонента от посторонних веществ, которые могут повлиять на результаты заключительного измерения. Соединения или элементы, влияющие на прямое измерения определяемого вещества, называются мешающими; предварительное отделение мешающих веществ - важная стадия в большинстве анализов. Нельзя рекомендовать общий способ для устранения мешающих примесей, в каждом случае приходится разрабатывать схему анализа, включающую методы разделения. Некоторые виды разделения настолько хорошо подходят к тем или иным способам определения, что такие методы-спутники получили общее название "гибридные методы" (экстракционно-фотометрический, многочисленные варианты хроматографии и т.д.).
Часто при этом удается увеличить концентрацию значимого компонента; поэтому эту группу методов называют "методы разделения и концентрирования". Они также могут основываться на физических и химических свойствах веществ.
Существуют разные подходы к классификации методов разделения, но самое существенное в них - это то, физические или химические свойства лежат в основе разделения.
Самое простое физическое свойство, которое можно использовать при разделении - это различие в размере частиц. Разделение достигается при использовании пористой перегородки, через которую один из компонентов (допустим, анализируемый) может проходить ввиду более мелкого размера частиц, а другой - нет. Другой метод разделения, основанный на различии в размерах - это диализ, в котором используется полупроницаемая мембрана, но со значительно меньшими размерами пор, 1-5 нм (ее изготавливают из целлюлозы и ее производных). Раствор образца помещают в пакет или трубку, стенки которых выполнены с применением такой мембраны, а затем пакет вместе с образцом опускают в контейнер, заполненный раствором, состав которого отличается от состава образца. Если концентрация определенного вещества по обе стороны мембраны различается, возникает осмотическое давление, благодаря которому и происходит движение вещества через мембрану. Свойства мембраны таковы, что через нее могут проходить небольшие молекулы (обычно растворителя), но большие молекулы задерживаются. Диализ, как метод разделения, широко используется для очистки белков, гормонов и ферментов.
Еще одно физическое свойство, лежащее в основе разделения - плотность. Разделение по плотности составляет основу такого метода разделения как центрифугирование.
Для разделения веществ широко используют фазовые переходы: сублимацию (возгонку), испарение, перегонку, дистилляцию, зонную плавку, кристаллизацию из жидкой или газообразной фазы. Все эти процессы связаны с переходом вещества из твердой или жидкой фазы в газообразную или наоборот, из газообразной или жидкой фазы в твердую.
К физическим свойствам, лежащим в основе фазового разделения, относится температура кипения или плавления (соответственно, методы дистилляции / сублимации и вымораживания).
При дистилляции смесь жидких компонентов (или жидких с твердыми) помещают в стеклянный сосуд и нагревают. Более летучие компоненты (те, у которых ниже температура кипения) переходят в газообразную форму и испаряются, конденсируясь в специальном сосуде - холодильнике - и собираясь в приемнике.
Даже когда образец твердый, можно достичь разделения анализируемого и мешающих компонентов за счет различия в температуре их кипения. Образец нагревают при таком сочетании температуры и давления, ниже "тройной точки", при котором твердое вещество переходит в газообразное состояние, минуя плавление (метод носит название сублимация, или возгонка). Затем пары можно конденсировать и получить очищенное твердое вещество. Хороший пример использования сублимации - выделение аминокислот из раковин ископаемых моллюсков и глубоководных отложений.
Вымораживание - метод прямо противоположный; мы не повышаем температуру смеси, а понижаем. Первыми начинают кристаллизоваться компоненты с более высокой температурой плавления, осадки можно отделять.
Множество широко применяемых методик разделения основывается на различии в растворимости веществ.
Например, перекристаллизация как метод разделения использует тот факт, что растворимость большинства веществ при различных температурах различна. Твердый образец растворяют в минимальном объеме растворителя, подбирая растворитель таким образом, чтобы в горячем растворе растворимость какого-либо компонента (допустим, анализируемого) была высока, а в холодном - минимальна. Мешающие компоненты хорошо растворимы, или их просто меньше (т.е. недостаточно, чтобы образовать осадок). Тогда при медленном охлаждении из раствора выделяются крупные чистые кристаллы анализируемого вещества, их можно отфильтровать и использовать.
Применение экстракции как метода разделения основано на различной растворимости веществ в разных растворителях. В водном растворе находится два компонента; добавим к нему органический растворитель (несмешивающийся с водой, иначе мы не сможем разделить). Если растворимость этих двух компонентов в органическом растворителе различна, то один перейдет в органический слой, а другой останется в водном.
Для разделения используются и химические свойства веществ. Разделение тоже осуществляет за счет фазового перехода, но сам переход вещества в другое агрегатное состояние происходит уже за счет химической реакции. Другие типы реакций, используемые для химического разделения, - осаждение и электроосаждение.
Так, селективное осаждение основано на том, что к многокомпонентному раствору добавляют химический реагент, который осаждает либо мешающий, либо определяемый компонент; осадок затем может быть отделен от раствора физически - фильтрованием или центрифугированием.
А можно использовать и электрохимические свойства веществ: способность к электролизу при прохождении тока через раствор; вы знаете, что из растворов металлов при этом осаждаются на аноде чистые металлы. Контролируя потенциал, мы препятствуем осаждению тех компонентов, которые находятся правее определяемого в ряду напряжений. (А те, которые левее, можно связывать в прочные комплексы.)
Комплексообразование - еще одно химическое свойство, применяемое для разделения. Мешающий компонент уходит из сферы основной (аналитической) реакции, потому что образует с добавленным реагентом прочный комплекс; он хоть и в растворе, но мало диссоциирован. Такой подход называется "маскирование". Технически, маскирование не является разделением, поскольку анализируемый и мешающий компоненты физически не разделяются, остаются в одной системе. Но, даже если метод назвать "псевдо-разделением", как делают многие аналитики, его польза от этого не становится меньше, ведь мешающий компонент уже не мешает, потому что переведен в инертную форму. Найдено множество маскирующих агентов для разнообразных веществ, благодаря чему недостаток селективности уже не такая проблема.
Использование химических реакций окисления-восстановления - другой способ переведения мешающего вещества в инертную форму. Например, при растворении сталей Fe3+, которого так много, да еще оно окрашено, сильно мешает определению. Добавляя селективные восстановители (аскорбиновую кислоту), переводим его в слабоокрашенный ион Fe2+, который определению уже не мешает. Другие компоненты не восстанавливаются.
Хроматография - это целая группа методов разделения, основанная на движении смеси веществ (находящихся в газовой фазе или в жидком растворе) по неподвижной фазе (жидкой или твердой). Некоторые компоненты задерживаются на неподвижной фазе, другие предпочтительно остаются в подвижной. Хроматография - это не только метод разделения, но и метод идентификации веществ, и количественного определения, и даже препаративного синтеза, и лучше мы подождем специальной лекции.
Проведение измерения
Химический анализ проводят, наблюдая и измеряя свойства веществ (физические методы) или результаты реакций (химические и физико-химические) - всё это вместе, как мы помним, называется аналитическим сигналом.
Аналитический сигнал должен быть характерным - присущим только данному веществу или группе близких веществ. Например, плотность растворов веществ нехарактерна, потому что можно получить растворы практически любых веществ, имеющих одинаковую плотность. Но много есть и характерных свойств: цвет, угол вращения плоскости поляризации, запах, растворимость, способность к поглощению электромагнитных излучений, радиоактивность. Аналитический сигнал должен иметь определенную интенсивность - как-то количественно зависеть от концентрации вещества. Чем более интенсивно свойство, тем чувствительнее метод анализа, основанный на его использовании.
Вид зависимости называется уравнением связи и в обобщенной форме выражается как Р = f(С). А функция может быть линейной, логарифмической и т.д. - в зависимости от особенностей аналитического сигнала. Это может быть и теоретически обоснованная зависимость, и чисто эмпирически найденное соотношение между интенсивностью сигнала и содержанием анализируемого компонента.
Большое значение имеет устойчивость аналитического сигнала к посторонним воздействиям.
Обработка результатов анализа
Любое измерение проводится с погрешностью. Погрешность можно выразить как абсолютную
Dх = х - m ,
(где х - результат анализа,
m - истинное содержание компонента)
и как относительную
(чаще в процентах, чем в долях единицы).
Погрешности бывают систематические (которые при повторных измерениях остаются постоянными или закономерно изменяются), случайные (которые при повторных измерениях меняются случайным образом) и грубые погрешности, или промахи (существенно превышающие ожидаемые).
Систематические погрешности можно, в принципе, измерить и учесть, хотя это требует много труда и высокой квалификации аналитика. Грубых промахов можно не делать, и тоже можно их учитывать. Но никогда, ни при каких обстоятельствах нельзя избавиться от случайной погрешности измерения. Источники случайных погрешностей есть всегда - локальное изменение условий (температуры, влажности), невоспроизводимость положения глаза наблюдателя от опыта к опыту (или, скажем, невоспроизводимость положения разновесов на чашке весов по отношению к центру). Поэтому аналитический результат - это всегда интервал, внутри которого, если нет систематической погрешности, заключено истинное значение (`х ± Dх, |х - m| < Dх), и никогда - точка. Он называется доверительный интервал.
Для его вычисления надо провести такие стандартные вычисления.
1. Определить, нет ли промаха:
рассчитать Q-критерий (если n < 10)
;
2. Найти среднее арифметическое: `x = Sxi/n.
3. Определить стандартное отклонение:
4. Найти в таблице коэффициент Стьюдента в зависимости от доверительной вероятности (чаще всего Р = 0,95) и числа степеней свободы (f = n-1).
5. Рассчитать доверительный интервал по формуле
Результат записывают в виде (`х ± Dх), обращая внимание на число значащих цифр в записи (от доверительного интервала оставляют одну значащую цифру, точность среднего подгоняют под точность доверительного интервала).