La sua materia come scienza è il miglioramento dell'esistente e lo sviluppo di nuovi metodi di analisi, la loro applicazione pratica, la ricerca fondamenti teorici metodi analitici.
A seconda del compito, la chimica analitica è suddivisa in analisi qualitativa, volta a determinare se che cosa o che tipo sostanza, in che forma è nel campione, e analisi quantitativa volta a determinare Quanti una data sostanza (elementi, ioni, forme molecolari, ecc.) è nel campione.
Viene chiamata la determinazione della composizione elementare degli oggetti materiali analisi elementare. Viene chiamata l'istituzione della struttura dei composti chimici e delle loro miscele a livello molecolare analisi molecolare. Uno dei tipi di analisi molecolare dei composti chimici è l'analisi strutturale volta a studiare la struttura atomica spaziale delle sostanze, stabilire formule empiriche, pesi molecolari, ecc. I compiti della chimica analitica includono la determinazione delle caratteristiche di oggetti organici, inorganici e biochimici. Analisi composti organici secondo i gruppi funzionali sono chiamati analisi funzionale.
La chimica analitica esiste da quando esisteva la chimica nella sua accezione moderna, e molte delle tecniche in essa utilizzate risalgono a un'epoca ancora precedente, l'era dell'alchimia, uno dei cui compiti principali era proprio la determinazione della composizione dei vari sostanze naturali e lo studio dei processi delle loro reciproche trasformazioni. Ma, con lo sviluppo della chimica nel suo insieme, anche i metodi di lavoro in essa utilizzati sono stati notevolmente migliorati e, insieme al suo significato puramente ausiliario di uno dei dipartimenti ausiliari della chimica, la chimica analitica ha attualmente il valore di un dipartimento di conoscenza chimica completamente indipendente con questioni teoriche molto serie e importanti. Un'influenza molto importante sullo sviluppo della chimica analitica è stata la moderna chimica fisica, che l'ha arricchita con una serie di metodi di lavoro completamente nuovi e fondamenti teorici, che comprendono la dottrina delle soluzioni (vedi), la teoria della dissociazione elettrolitica, la legge dell'azione di massa (vedi. Equilibrio chimico) e l'intera dottrina dell'affinità chimica.
Aggregato metodi tradizionali la determinazione della composizione di una sostanza mediante la sua decomposizione chimica sequenziale era chiamata "chimica umida" ("analisi umida"). Questi metodi hanno un'accuratezza relativamente bassa, richiedono qualifiche relativamente basse degli analisti e ora sono stati quasi completamente sostituiti dai metodi moderni. metodi strumentali(ottico, spettrometrico di massa, elettrochimico, cromatografico e altri metodi fisici e chimici) determinazione della composizione di una sostanza. Tuttavia, la chimica umida ha il suo vantaggio rispetto ai metodi spettrometrici: consente di utilizzare procedure standardizzate (analisi sistematica) per determinare direttamente la composizione e vari stati di ossidazione di elementi come ferro (Fe + 2 , Fe + 3), titanio, ecc.
I metodi analitici possono essere suddivisi in lordo e locale. I metodi grossolani di analisi di solito richiedono una sostanza separata e dettagliata (campione rappresentativo). Metodi locali determinare la composizione di una sostanza in un piccolo volume nel campione stesso, il che consente di redigere "mappe" della distribuzione delle proprietà chimiche del campione sulla sua superficie e/o profondità. Dovrebbe anche evidenziare i metodi analisi diretta, cioè non connesso alla preparazione preliminare del campione. Spesso è necessaria la preparazione del campione (ad es. frantumazione, preconcentrazione o separazione). Quando si preparano campioni, si interpretano i risultati, si stima il numero di analisi, vengono utilizzati metodi statistici.
Per determinare la composizione qualitativa di qualsiasi sostanza, è necessario studiarne le proprietà, che, dal punto di vista della chimica analitica, possono essere di due tipi: le proprietà della sostanza in quanto tale e le sue proprietà nelle trasformazioni chimiche.
I primi includono: lo stato fisico (solido, liquido, gassoso), la sua struttura allo stato solido (sostanza amorfa o cristallina), il colore, l'olfatto, il gusto, ecc. sentimenti di una persona, è possibile stabilire la natura di questo sostanza. Nella maggior parte dei casi, tuttavia, è necessario trasformare una determinata sostanza in una nuova con proprietà caratteristiche chiaramente espresse, utilizzando a tale scopo alcuni composti appositamente selezionati chiamati reagenti.
Le reazioni utilizzate in chimica analitica sono estremamente diverse e dipendono dalle proprietà fisiche e dal grado di complessità della composizione della sostanza in esame. Nel caso in cui un composto chimico ovviamente puro ed omogeneo venga sottoposto ad analisi chimica, il lavoro viene svolto in modo relativamente semplice e veloce; quando si ha a che fare con una miscela di più composti chimici, la questione della sua analisi, quindi, diventa più complicata, e nella produzione dell'opera è necessario aderire ad un certo sistema definito per non trascurare un singolo elemento che entra la sostanza. Ci sono due tipi di reazioni in chimica analitica: reazioni della via umida(in soluzioni) e reazioni asciutte..
Nell'analisi chimica qualitativa vengono utilizzate solo tali reazioni in soluzioni facilmente percepibili dai sensi umani e il momento in cui si verifica la reazione è riconosciuto da uno dei seguenti fenomeni:
Precipitazione nelle reazioni di analisi chimica dipende dalla formazione di qualche sostanza insolubile in acqua; se, ad esempio, si aggiunge acido solforico o il suo sale solubile in acqua a una soluzione di un sale di bario, si forma un precipitato polverulento bianco di solfato di bario:
BaCl 2 + H 2 SO 4 \u003d 2HCl + BaSO 4 ↓
Tenendo presente che alcuni altri metalli, ad esempio il piombo, in grado di formare un sale solfato insolubile PbSO 4, possono dare una reazione simile della formazione di un precipitato bianco sotto l'azione dell'acido solforico, per essere completamente sicuri che sia questo o quel metallo, è necessario produrre più reazioni di verifica, sottoponendo il precipitato formatosi nella reazione ad un opportuno studio.
Per eseguire con successo la reazione di formazione delle precipitazioni, oltre alla selezione del reagente appropriato, è anche necessario osservare una serie di condizioni molto importanti riguardanti la forza delle soluzioni del sale e del reagente studiati, la proporzione di entrambi, temperatura, durata dell'interazione, ecc. Quando si considerano le precipitazioni formate nell'analisi delle reazioni chimiche, è necessario prestare attenzione alla loro aspetto esteriore, cioè sul colore, sulla struttura (precipitati amorfi e cristallini), ecc., nonché sulle loro proprietà in relazione all'influenza di riscaldamento, acidi o alcali, ecc. ore, purché mantenute ad una certa temperatura .
La reazione di formazione del precipitato, indipendentemente dal suo significato qualitativo nell'analisi chimica, viene spesso utilizzata per separare determinati elementi l'uno dall'altro. A tal fine, una soluzione contenente composti di due o più elementi viene trattata con un opportuno reagente in grado di convertirne alcuni in composti insolubili, quindi il precipitato formatosi viene separato dalla soluzione (filtrato) mediante filtrazione, esaminandoli ulteriormente separatamente. Se prendiamo, ad esempio, sali di cloruro di potassio e cloruro di bario e vi aggiungiamo acido solforico, si forma un precipitato insolubile di solfato di bario BaSO 4 e solfato di potassio K 2 SO 4 solubile in acqua, che può essere separato per filtrazione . Nel separare il precipitato di una sostanza insolubile in acqua dalla soluzione, occorre prima prestare attenzione affinché ottenga una struttura adeguata che consenta di svolgere senza difficoltà il lavoro di filtrazione, quindi, dopo averlo raccolto sul filtro, è necessario lavarlo accuratamente da impurità estranee. Secondo gli studi di W. Ostwald, va tenuto presente che quando si utilizza una certa quantità di acqua per il lavaggio, è più opportuno lavare il sedimento molte volte con piccole porzioni d'acqua che viceversa - più volte con grandi porzioni . Per quanto riguarda il successo della reazione di separazione di un elemento sotto forma di precipitato insolubile, quindi, sulla base della teoria delle soluzioni, W. Ostwald ha scoperto che per una separazione sufficientemente completa di un elemento sotto forma di precipitato insolubile, è sempre necessario prelevare un eccesso del reagente utilizzato per la precipitazione.
Cambiare il colore della soluzioneè una delle caratteristiche molto importanti nelle reazioni dell'analisi chimica e ha un molto importanza, soprattutto in connessione con i processi di ossidazione e riduzione, nonché nel lavoro con indicatori chimici (vedi sotto - alcalimetria e acidimetria).
Esempi reazioni di colore quanto segue può servire nell'analisi chimica qualitativa: il tiocianato di potassio KCNS dà una caratteristica colorazione rosso sangue con sali di ossido di ferro; con i sali di ossidi ferrosi lo stesso reagente non dà nulla. Se ad una soluzione di cloruro ferrico FeCl 2, di colore leggermente verde, viene aggiunto un agente ossidante, ad esempio acqua di cloro, la soluzione diventa gialla per la formazione di cloruro ferrico, che è il grado più alto ossidazione di questo metallo. Se prendiamo il dicromato di potassio K 2 Cr 2 O 7 colore arancione e aggiungervi in soluzione un po' di acido solforico e un po' di agente riducente, ad esempio alcol di vino, il colore arancione diventa verde scuro, corrispondente alla formazione dello stato di ossidazione più basso del cromo sotto forma di sale di solfato di cromo Cr 3 (SO 4) 3.
A seconda del corso dell'analisi chimica, questi processi di ossidazione e riduzione spesso devono essere eseguiti in essa. I più importanti agenti ossidanti sono: alogeni, acido nitrico, acqua ossigenata, permanganato di potassio, bicromato di potassio; i più importanti agenti riducenti sono: idrogeno al momento dell'isolamento, acido solfidrico, acido solforoso, cloruro di stagno, acido ioduro.
Reazioni di degassamento nelle soluzioni nella produzione di analisi chimiche di alta qualità, molto spesso non hanno un significato indipendente e sono reazioni ausiliarie; molto spesso devi incontrare il rilascio di anidride carbonica CO 2 - sotto l'azione di acidi su sali carbonici, acido solfidrico - durante la decomposizione dei metalli solfuri con acidi, ecc.
Queste reazioni sono utilizzate nell'analisi chimica, principalmente nel cosiddetto. "prova preliminare", quando si testano i precipitati per la purezza, per le reazioni di verifica e nello studio dei minerali. Le reazioni più importanti di questo tipo consistono nel testare una sostanza in relazione a:
Per la produzione di questi test, nella maggior parte dei casi, viene utilizzata una fiamma non luminosa di un bruciatore a gas. I componenti principali del gas di illuminazione (idrogeno, monossido di carbonio, gas di palude e altri idrocarburi) sono agenti riducenti, ma quando viene bruciato in aria (vedi Combustione), si forma una fiamma, in varie parti della quale si possono trovare le condizioni necessario per la riduzione o l'ossidazione e pari al riscaldamento a una temperatura più o meno elevata.
Prova di fusibilità Si svolge principalmente nello studio dei minerali, per i quali un piccolissimo frammento di essi, rinforzato con un sottile filo di platino, viene introdotto nella parte della fiamma che ha la temperatura più alta, e poi mediante una lente d'ingrandimento, si osservano quanto sono arrotondati i bordi del campione.
Prova del colore della fiamma si ottiene introducendo un piccolo campione di seppia, un piccolo campione della sostanza su un filo di platino, prima nella base della fiamma, e poi nella parte di essa a più alta temperatura.
Prova di volatilità Viene prodotto riscaldando un campione di una sostanza in un cilindro di analisi o in un tubo di vetro sigillato ad un'estremità e le sostanze volatili si trasformano in vapori, che poi condensano nella parte più fredda.
Ossidazione e riduzione a secco può essere prodotto in palline di borace fuso ( 2 4 7 + 10 2 ) La sostanza in esame viene introdotta in una piccola quantità in palline ottenute fondendo questi sali su filo di platino, e quindi vengono riscaldati nella parte ossidante o riducente della fiamma . Il restauro può essere eseguito in molti altri modi, vale a dire: riscaldamento su un bastoncino carbonizzato con soda, riscaldamento in un tubo di vetro con metalli - sodio, potassio o magnesio, riscaldamento a carbone con una cerbottana, riscaldamento semplice.
La classificazione degli elementi adottata nella chimica analitica si basa sulla stessa divisione degli elementi come è consuetudine nella chimica generale - in metalli e non metalli (metalloidi), questi ultimi essendo considerati più spesso sotto forma di acidi corrispondenti. Per produrre un'analisi qualitativa sistematica, ciascuna di queste classi di elementi è divisa a sua volta in gruppi con alcune caratteristiche comuni del gruppo.
Metalli in chimica analitica sono divisi in due dipartimenti, che a loro volta sono divisi in cinque gruppi:
Alluminio e cromo non formano composti solforati nell'acqua; i restanti metalli formano composti di zolfo che, come i loro ossidi, sono solubili in acidi deboli. Da una soluzione acida, l'idrogeno solforato non li precipita, il solfuro di ammonio precipita ossidi o composti di zolfo. Il solfuro di ammonio è un reagente comune per questo gruppo e un eccesso dei suoi composti di zolfo non si dissolve. 4° gruppo: argento, piombo, bismuto, rame, palladio, rodio, rutenio, osmio. I composti dello zolfo sono insolubili negli acidi deboli e vengono precipitati dall'idrogeno solforato in una soluzione acida; sono anche insolubili nel solfuro di ammonio. Il solfuro di idrogeno è un reagente comune per questo gruppo. 5° gruppo: stagno, arsenico, antimonio, oro, platino. I composti dello zolfo sono anche insolubili negli acidi deboli e sono precipitati dall'idrogeno solforato da una soluzione acida. Ma sono solubili nel solfuro di ammonio e con esso formano sulfasali idrosolubili.
Non metalli (metalloidi) devono essere scoperti nell'analisi chimica sempre sotto forma degli acidi che formano o dei loro sali corrispondenti. La base per dividere gli acidi in gruppi sono le proprietà dei loro sali di bario e argento in relazione alla loro solubilità in acqua e in parte negli acidi. Il cloruro di bario è un reagente comune per il 1° gruppo, il nitrato d'argento in una soluzione di nitrato - per il 2° gruppo, i sali di bario e argento del 3° gruppo di acidi sono solubili in acqua. 1° gruppo: in soluzione neutra, il cloruro di bario precipita i sali insolubili; i sali d'argento sono insolubili in acqua, ma solubili in acido nitrico. Questi includono acidi: cromico, solforoso, solforoso, acquoso, carbonico, silicico, solforico, fluorosilicico (sali di bario insolubili negli acidi), arsenico e arsenico. 2° gruppo: in soluzione acidificata con acido nitrico precipita il nitrato d'argento. Questi includono acidi: cloridrico, bromidrico e idroiodico, cianidrico, acido solfidrico, ferro e cianuro di ferro e iodio. 3° gruppo: acido nitrico e acido clorico, che non sono precipitati né dal nitrato d'argento né dal cloruro di bario.
Tuttavia, va tenuto presente che i reagenti indicati per gli acidi non sono reagenti generici che potrebbero essere utilizzati per separare gli acidi in gruppi. Questi reagenti possono solo dare un'indicazione della presenza di un acido o di un altro gruppo e, per scoprire ogni singolo acido, è necessario utilizzare le loro particolari reazioni. La suddetta classificazione di metalli e non metalli (metalloidi) ai fini della chimica analitica è adottata nella scuola e nei laboratori russi (secondo N. A. Menshutkin), nei laboratori dell'Europa occidentale viene adottata un'altra classificazione, basata però essenzialmente sulla stessa i principi.
I fondamenti teorici delle reazioni dell'analisi chimica qualitativa in soluzione vanno ricercati, come già sopra indicato, nei dipartimenti di chimica generale e fisica delle soluzioni e affinità chimiche. Una delle prime e più importanti questioni è lo stato di tutti i minerali in soluzioni acquose, in cui, secondo la teoria della dissociazione elettrolitica, tutte le sostanze appartenenti alle classi dei sali, acidi e alcali si dissociano in ioni. Pertanto, tutte le reazioni dell'analisi chimica non si verificano tra intere molecole di composti, ma tra i loro ioni. Ad esempio, la reazione del cloruro di sodio NaCl e del nitrato d'argento AgNO 3 avviene secondo l'equazione:
Na + + Cl - + Ag + + (NO 3) - = AgCl↓ + Na + + (NO 3) - ione sodio + ione cloruro + ione argento + anione acido nitrico = sale insolubile + anione acido nitrico
Di conseguenza, il nitrato d'argento non è un reagente per il cloruro di sodio o l'acido cloridrico, ma solo per lo ione cloro. Pertanto, per ogni sale in soluzione, dal punto di vista della chimica analitica, devono essere considerati separatamente il suo catione (ione metallico) e l'anione (residuo acido). Per un acido libero si devono considerare gli ioni idrogeno e un anione; infine, per ogni alcali, un catione metallico e un anione idrossile. E in sostanza, il compito più importante dell'analisi chimica qualitativa è studiare le reazioni di vari ioni e i modi per aprirli e separarli l'uno dall'altro.
Per raggiungere quest'ultimo scopo, mediante l'azione di opportuni reagenti, gli ioni vengono convertiti in composti insolubili che precipitano dalla soluzione sotto forma di precipitazione, oppure vengono separati dalle soluzioni sotto forma di gas. Nella stessa teoria della dissociazione elettrolitica, si devono cercare spiegazioni dell'azione degli indicatori chimici, che trovano spesso applicazione nell'analisi chimica. Secondo la teoria di W. Ostwald, tutti gli indicatori chimici sono tra gli acidi relativamente deboli, parzialmente dissociati in soluzioni acquose. Inoltre, alcuni di essi hanno molecole intere incolori e anioni colorati, altri, al contrario, hanno molecole colorate e un anione incolore o un anione di colore diverso; esposti all'influenza di ioni idrogeno liberi di acidi o ioni ossidrile di alcali, gli indicatori chimici possono cambiare il grado della loro dissociazione e allo stesso tempo il loro colore. Gli indicatori più importanti sono:
Gli indicatori chimici hanno un'applicazione molto importante nell'analisi chimica di massa (vedi sotto). Nelle reazioni dell'analisi chimica qualitativa si incontra spesso anche il fenomeno dell'idrolisi, cioè la decomposizione dei sali sotto l'influenza dell'acqua, e soluzione acquosa acquisisce una reazione alcalina o acida più o meno forte.
In un'analisi chimica qualitativa, è importante determinare non solo quali elementi o composti sono inclusi nella composizione di una data sostanza, ma anche in quali quantità, approssimativamente, relative sono questi costituenti. A tale scopo è sempre necessario partire da determinate quantità dell'analita (normalmente è sufficiente assumere 0,5-1 grammo) e, nel corso dell'analisi, confrontare tra loro l'entità delle precipitazioni individuali. È anche necessario utilizzare soluzioni di reagenti di una certa forza, vale a dire: normale, semi-normale, un decimo normale.
Ogni analisi chimica qualitativa è suddivisa in tre parti:
Per quanto riguarda la natura dell'analita, possono verificarsi quattro casi:
Quando si analizza sostanza solida non metallica prima di tutto viene eseguito un esame esterno e un esame microscopico, nonché un test preliminare con i suddetti metodi di analisi in forma secca. Il campione della sostanza viene sciolto, a seconda della sua natura, in uno dei seguenti solventi: acqua, acido cloridrico, acido nitrico e acqua regia (una miscela di acido cloridrico e nitrico). Le sostanze che non sono in grado di dissolversi in nessuno dei solventi indicati vengono trasferite in soluzione con alcuni metodi speciali, come: fusione con soda o potassa, ebollizione con una soluzione di soda, riscaldamento con determinati acidi, ecc. La soluzione risultante viene sottoposta a un analisi sistematica con isolamento preliminare di metalli e acidi per gruppi e suddivisione ulteriormente in elementi separati, utilizzando le loro reazioni particolari.
Quando si analizza Lega metallica un certo campione di esso viene sciolto in acido nitrico (in rari casi in acqua regia), e la soluzione risultante viene evaporata a secco, dopodiché il residuo solido viene sciolto in acqua e sottoposto ad analisi sistematica.
Se la sostanza è liquido Prima di tutto, l'attenzione è attirata dal suo colore, odore e reazione al tornasole (acido, alcalino, neutro). Per assicurarsi che non ci siano solidi nella soluzione, una piccola parte del liquido viene evaporata su una lastra di platino o su un vetro da orologio. Dopo queste prove preliminari, il liquido viene apalizzato con metodi convenzionali.
Analisi gas prodotto con alcuni metodi speciali indicati nell'analisi quantitativa.
L'analisi chimica quantitativa mira a determinare la quantità relativa dei singoli costituenti di un composto o miscela chimica. I metodi utilizzati in esso dipendono dalle qualità e dalla composizione della sostanza, e quindi l'analisi chimica quantitativa deve essere sempre preceduta dall'analisi chimica qualitativa.
Due diversi metodi possono essere utilizzati per produrre analisi quantitative: gravimetrico e volumetrico. Con il metodo del peso si isolano i corpi da determinare sotto forma di composti possibilmente insolubili o difficilmente solubili di composizione chimica nota e si determina il loro peso, in base al quale è possibile trovare la quantità di l'elemento desiderato mediante calcolo. Nell'analisi volumetrica vengono misurati i volumi di soluzioni titolate (contenenti una certa quantità di reagente) utilizzate per l'analisi. Inoltre, una serie di metodi speciali di analisi chimica quantitativa differiscono, vale a dire:
Un gruppo molto speciale è analisi chimico mediche fila di abbracci vari metodi studi su sangue, urina e altri prodotti di scarto del corpo umano.
I metodi di analisi chimica quantitativa del peso sono di due tipi: metodo di analisi diretta e metodo di analisi indiretta (indiretta).. Nel primo caso si isola il componente da determinare sotto forma di un composto insolubile e si determina il peso di quest'ultimo. L'analisi indiretta si basa sul fatto che due o più sostanze sottoposte allo stesso trattamento chimico subiscono variazioni di peso diseguali. Avendo, ad esempio, una miscela di cloruro di potassio e nitrato di sodio, si può determinare il primo di essi mediante analisi diretta, precipitando il cloro sotto forma di cloruro d'argento e pesandolo. Se è presente una miscela di sali di potassio e di cloruro di sodio, è possibile determinarne il rapporto con un metodo indiretto facendo precipitare tutto il cloro, sotto forma di cloruro d'argento, e determinandone il peso, seguito dal calcolo.
CHIMICA ANALITICA, la scienza di determinare la composizione chimica di sostanze e materiali e, in una certa misura, la struttura chimica dei composti. La chimica analitica sviluppa i fondamenti teorici generali dell'analisi chimica, sviluppa metodi per determinare i componenti di un campione in studio e risolve i problemi di analisi di oggetti specifici. L'obiettivo principale della chimica analitica è la creazione di metodi e strumenti che forniscano, a seconda del compito, accuratezza, elevata sensibilità, rapidità e selettività dell'analisi. Sono inoltre in fase di sviluppo metodi per analizzare microoggetti, per condurre analisi locali (in un punto, sulla superficie, e così via), analisi senza distruggere il campione, a distanza da esso (analisi a distanza), analisi continue (ad esempio , in un flusso), e anche per stabilire, sotto forma di quale composto chimico e in che cosa forma fisica il componente determinato esiste nel campione (analisi chimica del materiale) e in quale fase è incluso (analisi di fase). Tendenze importanti nello sviluppo della chimica analitica sono l'automazione delle analisi, soprattutto nel controllo dei processi tecnologici, e la matematizzazione, in particolare l'uso diffuso dei computer.
La struttura della scienza. Ci sono tre aree principali della chimica analitica: fondamenti teorici generali; sviluppo di metodi di analisi; chimica analitica dei singoli oggetti. A seconda dello scopo dell'analisi, viene fatta una distinzione tra analisi chimica qualitativa e analisi chimica quantitativa. Il compito del primo è rilevare e identificare i componenti del campione analizzato, il compito del secondo è determinarne le concentrazioni o le masse. A seconda di quali componenti devono essere rilevati o determinati, ci sono analisi isotopiche, analisi elementari, analisi di gruppi strutturali (incluso funzionale), analisi molecolari, analisi dei materiali e analisi di fase. Per la natura dell'oggetto analizzato, si distingue l'analisi delle sostanze inorganiche e organiche, nonché degli oggetti biologici.
La cosiddetta chemiometria, inclusa la metrologia dell'analisi chimica, occupa un posto importante nei fondamenti teorici della chimica analitica. La teoria della chimica analitica comprende anche gli insegnamenti sulla selezione e preparazione dei campioni analitici, sulla compilazione di uno schema di analisi e sulla scelta dei metodi, sui principi e le modalità di automatizzazione dell'analisi, sull'uso dei computer, nonché sui principi uso razionale risultati dell'analisi chimica. Una caratteristica della chimica analitica è lo studio delle proprietà e delle caratteristiche degli oggetti non generali, ma individuali, specifiche, che garantisce la selettività di molti metodi analitici. Grazie agli stretti legami con le conquiste della fisica, della matematica, della biologia e dei vari campi della tecnologia (questo è particolarmente vero per i metodi di analisi), la chimica analitica si sta trasformando in una disciplina all'incrocio delle scienze. Vengono spesso usati altri nomi di questa disciplina: analisi, scienze analitiche, ecc.
Nella chimica analitica si distinguono metodi di separazione, determinazione (rilevamento) e metodi di analisi ibridi, che di solito combinano i metodi dei primi due gruppi. I metodi di determinazione sono convenientemente suddivisi in metodi chimici di analisi (analisi gravimetrica, analisi titrimetrica, metodi di analisi elettrochimici, metodi di analisi cinetici), metodi fisici analisi (spettroscopiche, nucleare-fisiche, ecc.), metodi di analisi biochimici e metodo di analisi biologico. I metodi chimici si basano su reazioni chimiche (l'interazione della materia con la materia), i metodi fisici si basano su fenomeni fisici (l'interazione della materia con le radiazioni, i flussi di energia), i metodi biologici utilizzano la risposta degli organismi o dei loro frammenti ai cambiamenti nell'ambiente .
Quasi tutti i metodi di determinazione si basano sulla dipendenza di eventuali proprietà misurabili delle sostanze dalla loro composizione. Pertanto, una direzione importante nella chimica analitica è la ricerca e lo studio di tali dipendenze al fine di utilizzarle per risolvere problemi analitici. In questo caso, è quasi sempre necessario trovare un'equazione per la relazione tra una proprietà e una composizione, sviluppare metodi per registrare una proprietà (segnale analitico), eliminare l'interferenza da altri componenti ed eliminare l'influenza interferente di vari fattori (ad esempio , sbalzi di temperatura). Il valore del segnale analitico viene convertito in unità caratterizzanti la quantità o concentrazione dei componenti. Le proprietà misurate possono essere, ad esempio, massa, volume, assorbimento della luce, intensità di corrente.
Molta attenzione è rivolta alla teoria dei metodi di analisi. La teoria dei metodi chimici si basa su idee su diversi tipi di base reazioni chimiche, ampiamente utilizzato in analisi (acido-base, redox, complessazione) e in diversi processi importanti (precipitazione, dissoluzione, estrazione). L'attenzione a questi problemi è dovuta alla storia dello sviluppo della chimica analitica e al significato pratico dei metodi corrispondenti. Poiché, tuttavia, la quota dei metodi chimici sta diminuendo, mentre cresce la quota dei metodi fisici, biochimici e biologici, è di grande importanza migliorare la teoria dei metodi di questi ultimi gruppi e integrare gli aspetti teorici dei singoli metodi nella teoria generale della chimica analitica.
La storia dello sviluppo. Le prove sui materiali venivano effettuate nell'antichità; ad esempio, i minerali sono stati esaminati per determinarne l'idoneità alla fusione, vari prodotti - per determinare il contenuto di oro e argento in essi. Gli alchimisti del XIV-XVI secolo eseguirono un'enorme quantità di lavoro sperimentale sullo studio delle proprietà delle sostanze, ponendo le basi per i metodi di analisi chimica. Nei secoli 16-17 (il periodo della iatrochimica), nuovo metodi chimici rilevazione di sostanze basata su reazioni in soluzione (ad esempio la scoperta di ioni argento mediante formazione di un precipitato con ioni cloruro). R. Boyle, che ha introdotto il concetto di "analisi chimica", è considerato il fondatore della chimica analitica scientifica.
Fino alla metà del 19° secolo, la chimica analitica era la branca principale della chimica. Durante questo periodo furono scoperti molti elementi chimici, furono isolate le parti costitutive di alcune sostanze naturali, furono stabilite le leggi di costanza della composizione e rapporti multipli, e la legge di conservazione della massa. Il chimico e mineralogista svedese T. Bergman ha sviluppato uno schema per l'analisi qualitativa sistematica, ha utilizzato attivamente l'idrogeno solforato come reagente analitico e ha proposto metodi di analisi della fiamma per ottenere perle. Nel 19° secolo, l'analisi qualitativa sistematica fu migliorata dai chimici tedeschi G. Rose e K. Fresenius. Lo stesso secolo è stato caratterizzato da enormi successi nello sviluppo dell'analisi quantitativa. È stato creato un metodo titrimetrico (chimico francese F. Decroisille, J. Gay-Lussac), l'analisi gravimetrica è stata notevolmente migliorata e sono stati sviluppati metodi per l'analisi dei gas. Lo sviluppo di metodi per l'analisi elementare dei composti organici (Yu. Liebig) è stato di grande importanza. Alla fine del XIX secolo prese forma una teoria della chimica analitica, che si basava sulla teoria dell'equilibrio chimico in soluzioni con la partecipazione di ioni (principalmente W. Ostwald). A quel tempo, i metodi per analizzare gli ioni in soluzioni acquose avevano preso il posto predominante nella chimica analitica.
Nel 20° secolo sono stati sviluppati metodi per la microanalisi dei composti organici (F. Pregl). Fu proposto un metodo polarografico (J. Geyrovsky, 1922). Sono apparsi molti metodi fisici, ad esempio spettrometria di massa, raggi X, fisica nucleare. Di grande importanza fu la scoperta della cromatografia (M. S. Tsvet, 1903) e la creazione diverse opzioni questo metodo, in particolare la cromatografia di partizione (A. Martin e R. Sing, 1941).
In Russia e in URSS Grande importanza per la chimica analitica aveva un libro di testo di IA Menshutkin "Analytical Chemistry" (resiste a 16 edizioni). MA Ilyinsky e LA Chugaev hanno introdotto in pratica i reagenti analitici organici (fine XIX - inizio XX secolo), N.A. Tananaev sviluppò il metodo a goccia dell'analisi qualitativa (contemporaneamente al chimico austriaco F. Feigl, anni '20). Nel 1938 N.A. Izmailov e M. S. Schreiber furono i primi a descrivere la cromatografia su strato sottile. Gli scienziati russi hanno dato un grande contributo allo studio della formazione complessa e al suo uso analitico (I. P. Alimarin, A. K. Babko), alla teoria dell'azione dei reagenti analitici organici, allo sviluppo della spettrometria di massa, ai metodi di fotometria, alla spettrometria di assorbimento atomico ( B. V. Lvov), nella chimica analitica dei singoli elementi, in particolare rari e platino, e una serie di oggetti: sostanze di elevata purezza, minerali, metalli e leghe.
Le esigenze della pratica hanno sempre stimolato lo sviluppo della chimica analitica. Pertanto, negli anni '40 e '70, in connessione con la necessità di analizzare materiali nucleari, semiconduttori e altri materiali di elevata purezza, furono creati metodi sensibili come l'analisi della radioattivazione, la spettrometria di massa scintilla e l'analisi chimica. analisi spettrale, stripping voltammetry, fornendo la determinazione fino al 10 -7 -10 -8% di impurità in sostanze pure, ovvero 1 parte di un'impurità per 10-1000 miliardi di parti della sostanza principale. Per lo sviluppo della metallurgia ferrosa, in particolare in connessione con il passaggio alla produzione di acciaio BOF ad alta velocità, l'analisi rapida è diventata decisiva. L'uso dei cosiddetti quantometri - dispositivi fotoelettrici per analisi spettrali ottiche multielemento o a raggi X - consente l'analisi durante la fusione.
La necessità di analizzare miscele complesse di composti organici ha portato allo sviluppo intensivo della gascromatografia, che consente di analizzare le miscele più complesse contenenti diverse decine e persino centinaia di sostanze. La chimica analitica ha contribuito notevolmente alla padronanza dell'energia del nucleo atomico, allo studio dello spazio e dell'oceano, allo sviluppo dell'elettronica e al progresso delle scienze biologiche.
Materia di studio. Un ruolo importante è svolto dallo sviluppo della teoria del campionamento dei materiali analizzati; Tipicamente, i problemi di campionamento vengono risolti insieme a specialisti delle sostanze oggetto di studio (ad esempio con geologi, metallurgisti). La chimica analitica sta sviluppando metodi di decomposizione del campione - dissoluzione, fusione, sinterizzazione, ecc., che dovrebbero fornire una "apertura" completa del campione e prevenire la perdita dei componenti determinati e la contaminazione dall'esterno. I compiti della chimica analitica includono lo sviluppo di tecniche per operazioni generali di analisi come la misurazione del volume, la filtrazione e la calcinazione. Uno dei compiti della chimica analitica è determinare le direzioni per lo sviluppo della strumentazione analitica, la creazione di nuovi circuiti e progetti di strumenti (che molto spesso funge da fase finale nello sviluppo di un metodo di analisi), nonché la sintesi di nuovi reagenti analitici.
Per l'analisi quantitativa, le caratteristiche metrologiche dei metodi e degli strumenti sono molto importanti. A questo proposito, la chimica analitica studia i problemi di calibrazione, fabbricazione e utilizzo di campioni di riferimento (compresi campioni standard) e altri mezzi per garantire la correttezza dell'analisi. Un posto importante è occupato dall'elaborazione dei risultati dell'analisi, in particolare dall'elaborazione informatica. Per ottimizzare le condizioni di analisi, vengono utilizzate la teoria dell'informazione, la teoria del riconoscimento di modelli e altre branche della matematica. I computer vengono utilizzati non solo per elaborare i risultati, ma anche per controllare gli strumenti, tenere conto dell'interferenza, della calibrazione e della pianificazione degli esperimenti; ci sono compiti analitici che possono essere risolti solo con l'ausilio di computer, ad esempio l'identificazione di molecole di composti organici utilizzando sistemi esperti.
La chimica analitica definisce gli approcci generali alla scelta dei modi e dei metodi di analisi. Sono in fase di sviluppo metodi per confrontare i metodi, vengono determinate le condizioni per la loro intercambiabilità e combinazioni, principi e modalità di automazione dell'analisi. Per uso pratico analisi, è necessario sviluppare idee sul suo risultato come indicatore della qualità del prodotto, la dottrina del controllo espresso dei processi tecnologici e la creazione di metodi economici. Di grande importanza per gli analisti che lavorano in vari settori dell'economia sono l'unificazione e la standardizzazione dei metodi. È in fase di sviluppo una teoria per ottimizzare la quantità di informazioni necessarie per risolvere i problemi analitici.
Metodi di analisi. A seconda della massa o del volume del campione analizzato, i metodi di separazione e determinazione sono talvolta suddivisi in metodi macro, micro e ultramicro.
Di solito si ricorre alla separazione delle miscele nei casi in cui il rilevamento diretto o i metodi di rilevamento non forniscono il risultato corretto a causa dell'influenza interferente di altri componenti del campione. Particolarmente importante è la cosiddetta concentrazione relativa, la separazione di piccole quantità di componenti dell'analita da quantità significativamente maggiori dei componenti principali del campione. La separazione delle miscele può essere basata su differenze nelle caratteristiche termodinamiche o di equilibrio dei componenti (costanti di scambio ionico, costanti di stabilità dei complessi) o parametri cinetici. Per la separazione vengono utilizzati principalmente la cromatografia, l'estrazione, la precipitazione, la distillazione, nonché i metodi elettrochimici, come l'elettrodeposizione. Metodi di determinazione: il gruppo principale di metodi di chimica analitica. I metodi di analisi quantitativa si basano sulla dipendenza di qualsiasi proprietà misurabile, il più delle volte fisica, dalla composizione del campione. Questa dipendenza deve essere descritta in un modo certo e noto. I metodi di analisi ibridi si stanno sviluppando rapidamente, combinando separazione e determinazione. Ad esempio, la gascromatografia con vari rivelatori è il metodo più importante per analizzare miscele complesse di composti organici. Per l'analisi di miscele di composti non volatili e termicamente instabili, è più conveniente la cromatografia liquida ad alte prestazioni.
Per l'analisi è necessaria una varietà di metodi, poiché ognuno di essi ha i suoi vantaggi e limiti. Pertanto, i metodi di radioattivazione e spettro di massa estremamente sensibili richiedono apparecchiature complesse e costose. I metodi cinetici semplici, accessibili e molto sensibili non sempre forniscono la riproducibilità dei risultati desiderata. Quando si valutano e si confrontano i metodi, quando li scelgono per risolvere problemi specifici, vengono presi in considerazione molti fattori: parametri metrologici, ambito di utilizzo possibile, disponibilità di apparecchiature, qualifiche degli analisti, tradizioni, ecc. I più importanti tra questi fattori sono parametri metrologici come come limite di rilevamento o intervallo di concentrazione (quantità), in cui il metodo fornisce risultati affidabili, e l'accuratezza del metodo, ovvero la correttezza e la riproducibilità dei risultati. In un certo numero di casi, i metodi "multicomponenti" sono di grande importanza, che consentono di determinare un gran numero di componenti contemporaneamente, ad esempio l'emissione atomica e l'analisi spettrale dei raggi X e la cromatografia. Il ruolo di tali metodi sta crescendo. Ceteris paribus, sono preferiti metodi di analisi diretta, cioè non associati alla preparazione chimica del campione; tuttavia, tale preparazione è spesso necessaria. Ad esempio, la preconcentrazione del componente in esame consente di determinarne le concentrazioni più basse, eliminare le difficoltà legate alla distribuzione disomogenea del componente nel campione e all'assenza di campioni di riferimento.
Un posto speciale è occupato dai metodi di analisi locale. Un ruolo essenziale tra questi è svolto dalla microanalisi spettrale a raggi X (sonda elettronica), dalla spettrometria di massa di ioni secondari, dalla spettroscopia Auger e da altri metodi fisici. Sono di grande importanza, in particolare, nell'analisi di strati superficiali di materiali solidi o inclusioni in rocce.
Un gruppo specifico è costituito dai metodi di analisi elementare dei composti organici. La materia organica si decompone in un modo o nell'altro e i suoi componenti sotto forma dei più semplici composti inorganici (CO 2 , H 2 O, NH 3, ecc.) sono determinati con metodi convenzionali. L'uso della gascromatografia ha permesso di automatizzare l'analisi elementare; per questo vengono prodotti analizzatori C-, H-, N-, S e altri dispositivi automatici. L'analisi dei composti organici per gruppi funzionali (analisi funzionale) viene eseguita mediante vari metodi chimici, elettrochimici, spettrali (spettroscopia NMR o IR) o metodi cromatografici.
Nell'analisi di fase, cioè nella determinazione di composti chimici che formano fasi separate, queste ultime vengono prima isolate, ad esempio utilizzando un solvente selettivo, e poi le soluzioni risultanti vengono analizzate con metodi convenzionali; metodi fisici molto promettenti di analisi di fase senza precedente separazione di fase.
Valore pratico. L'analisi chimica fornisce il controllo di molti processi tecnologici e della qualità dei prodotti in vari settori, svolge un ruolo enorme nella ricerca e nell'esplorazione di minerali, nell'industria mineraria. La purezza è controllata dall'analisi chimica ambiente(suolo, acqua e aria). I risultati della chimica analitica sono utilizzati in vari rami della scienza e della tecnologia: energia nucleare, elettronica, oceanologia, biologia, medicina, medicina legale, archeologia e ricerca spaziale. L'importanza economica dell'analisi chimica è grande. Pertanto, l'esatta determinazione degli additivi di lega nella metallurgia consente di risparmiare metalli preziosi. Il passaggio all'analisi automatica continua nei laboratori medici e agrochimici consente di aumentare notevolmente la velocità delle analisi (sangue, urina, estratti di suolo e così via) e di ridurre il numero di dipendenti del laboratorio.
Lett.: Fondamenti di chimica analitica: In 2 libri / A cura di Yu. A. Zolotov. M., 2002; Chimica analitica: In 2 volumi M., 2003-2004.
Gli ingegneri ambientali devono conoscere la composizione chimica delle materie prime, dei prodotti e dei rifiuti di produzione e dell'ambiente - aria, acqua e suolo; è importante identificare le sostanze nocive e determinarne la concentrazione. Questo problema è risolto chimica analitica - la scienza della determinazione della composizione chimica delle sostanze.
I problemi della chimica analitica sono risolti principalmente da metodi di analisi fisico-chimici, che sono anche detti strumentali. Usano la misurazione di alcune proprietà fisiche o fisico-chimiche di una sostanza per determinarne la composizione. Comprende anche sezioni sui metodi di separazione e purificazione delle sostanze.
Lo scopo di questo corso di lezioni è quello di familiarizzare con i principi dei metodi strumentali di analisi al fine di navigare nelle loro capacità e, su questa base, impostare compiti specifici per specialisti - chimici e comprendere il significato dei risultati dell'analisi.
Letteratura
Aleskovsky V.B. ecc. Metodi di analisi fisico-chimici. L-d, "Chimica", 1988
Yu.S. Lyalikov. Metodi fisici e chimici di analisi. M., casa editrice "Chimica", 1974
Vasiliev VP Fondamenti teorici dei metodi di analisi fisico-chimici M., scuola di Specializzazione, 1979
AD Zimon, NF Leshchenko. chimica colloidale. M., "Agar", 2001
AI Mishustin, KF Belousova. Chimica colloidale (Guida metodologica). Casa editrice MIHM, 1990
I primi due libri sono libri di testo per studenti di chimica e sono quindi abbastanza difficili per te. Questo rende queste lezioni molto utili. Tuttavia, puoi leggere i singoli capitoli.
Purtroppo l'amministrazione non ha ancora stanziato un credito separato per questo corso, quindi il materiale è incluso nell'esame generale, insieme al corso di chimica fisica.
Distinguere tra analisi qualitativa e quantitativa. Il primo determina la presenza di alcuni componenti, il secondo - il loro contenuto quantitativo. I metodi di analisi si dividono in chimici e fisico-chimici. In questa lezione considereremo solo metodi chimici basati sulla trasformazione dell'analita in composti con determinate proprietà.
Nell'analisi qualitativa dei composti inorganici, il campione di prova viene trasferito allo stato liquido dissolvendolo in acqua o in una soluzione acida o alcalina, il che consente di rilevare elementi sotto forma di cationi e anioni. Ad esempio, gli ioni Cu 2+ possono essere identificati dalla formazione di uno ione complesso blu brillante 2+.
L'analisi qualitativa si divide in frazionaria e sistematica. Analisi frazionata: rilevamento di diversi ioni in una miscela con una composizione approssimativamente nota.
L'analisi sistematica è un'analisi completa secondo un determinato metodo di rilevamento sequenziale di singoli ioni. Gruppi separati di ioni con proprietà simili vengono isolati mediante reagenti di gruppo, quindi i gruppi di ioni vengono divisi in sottogruppi e quelli, a loro volta, in ioni separati, che vengono rilevati utilizzando il cosiddetto. reazioni analitiche. Queste sono reazioni con un effetto esterno: precipitazione, evoluzione del gas, cambiamento del colore della soluzione.
Proprietà delle reazioni analitiche - specificità, selettività e sensibilità.
Specificità permette di rilevare un dato ione in presenza di altri ioni da una caratteristica caratteristica (colore, odore, ecc.). Esistono relativamente poche reazioni di questo tipo (ad esempio, la reazione di rilevamento dello ione NH 4 + mediante l'azione di un alcali su una sostanza quando riscaldata). Quantitativamente la specificità della reazione è stimata dal valore del rapporto limitante, che è uguale al rapporto tra le concentrazioni dello ione da determinare e gli ioni interferenti. Ad esempio, una reazione di goccia sullo ione Ni 2+ per azione della dimetilgliossima in presenza di ioni Co 2+ riesce ad un rapporto limite da Ni 2+ a Co 2+ pari a 1:5000.
Selettività(o selettività) della reazione è determinata dal fatto che solo pochi ioni danno un simile effetto esterno. La selettività è tanto maggiore quanto minore è il numero di ioni che danno un effetto simile.
Sensibilità le reazioni sono caratterizzate da un limite di rilevabilità o da un limite di diluizione. Ad esempio, il limite di rilevamento in una reazione microcristalloscopica allo ione Ca 2+ mediante l'azione dell'acido solforico è 0,04 μg di Ca 2+ in una goccia di soluzione.
Un compito più difficile è l'analisi dei composti organici. Il carbonio e l'idrogeno vengono determinati dopo la combustione del campione, registrando l'anidride carbonica e l'acqua rilasciate. Esistono diverse tecniche per rilevare altri elementi.
Classificazione dei metodi di analisi per quantità.
I componenti si dividono in basici (1 - 100% in peso), minori (0,01 - 1% in peso) e impurità o tracce (inferiori allo 0,01% in peso).
A seconda della massa e del volume del campione analizzato, si distingue la macroanalisi (0,5 - 1 go 20 - 50 ml),
semi-microanalisi (0,1 - 0,01 go 1,0 - 0,1 ml),
microanalisi (10 -3 - 10 -6 go 10 -1 - 10 -4 ml),
ultramicroanalisi (10 -6 - 10 -9 g, o 10 -4 - 10 -6 ml),
submicroanalisi (10 -9 - 10 -12 go 10 -7 - 10 -10 ml).
Classificazione in base alla natura delle particelle determinate:
1.isotopico (fisico) - vengono determinati gli isotopi
2. elementare o atomico: viene determinato un insieme di elementi chimici
3. molecolare - viene determinato l'insieme di molecole che compongono il campione
4. gruppo strutturale (intermedio tra atomico e molecolare) - i gruppi funzionali sono determinati nelle molecole dei composti organici.
5. fase - vengono analizzati i componenti di oggetti eterogenei (ad esempio minerali).
Altri tipi di classificazione dell'analisi:
Lordo e locale.
Distruttivo e non distruttivo.
Contatto e remoto.
discreto e continuo.
Caratteristiche importanti della procedura analitica sono la rapidità del metodo (velocità dell'analisi), il costo dell'analisi e la possibilità della sua automazione.
Qualsiasi metodo di analisi utilizza un certo segnale analitico, che, in determinate condizioni, è dato da specifici oggetti elementari (atomi, molecole, ioni) che compongono le sostanze studiate.
Un segnale analitico fornisce informazioni sia qualitative che quantitative. Ad esempio, se per l'analisi vengono utilizzate reazioni di precipitazione, si ottengono informazioni qualitative dall'aspetto o dall'assenza di un precipitato. Le informazioni quantitative si ottengono dal peso del sedimento. Quando una sostanza emette luce in determinate condizioni, l'informazione qualitativa si ottiene dalla comparsa di un segnale (emissione di luce) a una lunghezza d'onda corrispondente al colore caratteristico e l'informazione quantitativa si ottiene dall'intensità della radiazione luminosa.
In base all'origine del segnale analitico, i metodi di chimica analitica possono essere classificati in metodi chimici, fisici e fisico-chimici.
A metodi chimici effettuare una reazione chimica e misurare la massa del prodotto ottenuto - metodi gravimetrici (peso) o il volume del reagente utilizzato per l'interazione con la sostanza - metodi titrimetrici, gas volumetrici (volumetrici).
La volumemetria del gas (analisi volumetrica del gas) si basa sull'assorbimento selettivo delle parti costituenti di una miscela di gas in recipienti riempiti con l'uno o l'altro assorbitore, seguito dalla misurazione della diminuzione del volume del gas mediante una buretta. Quindi, l'anidride carbonica viene assorbita da una soluzione di idrossido di potassio, ossigeno - da una soluzione di pirogallolo, monossido di carbonio - da una soluzione di ammoniaca di cloruro di rame. La volumetria del gas si riferisce a metodi di analisi espressi. È ampiamente utilizzato per la determinazione dei carbonati in g.p. e minerali.
I metodi chimici di analisi sono ampiamente utilizzati per l'analisi di minerali, rocce, minerali e altri materiali nella determinazione dei componenti in essi contenuti con un contenuto da decimi a diverse decine di percento. I metodi di analisi chimica sono caratterizzati da un'elevata precisione (l'errore di analisi è solitamente di decimi di percentuale). Tuttavia, questi metodi vengono gradualmente sostituiti da metodi di analisi fisico-chimici e fisici più rapidi.
Metodi fisici le analisi si basano sulla misurazione di alcune proprietà fisiche delle sostanze, che è funzione della composizione. Ad esempio, la rifrattometria si basa sulla misurazione dei relativi indici di rifrazione della luce. In un test di attivazione, viene misurata l'attività degli isotopi, ecc.. Spesso durante il test viene eseguita preliminarmente una reazione chimica e la concentrazione del prodotto risultante è determinata dalle proprietà fisiche, ad esempio dall'intensità di assorbimento di radiazione luminosa del prodotto di reazione colorato. Tali metodi di analisi sono chiamati fisico-chimici.
I metodi fisici di analisi sono caratterizzati da elevata produttività, bassi limiti di rilevamento degli elementi, obiettività dei risultati dell'analisi, alto livello automazione. I metodi fisici di analisi sono utilizzati nell'analisi di rocce e minerali. Ad esempio, il metodo dell'emissione atomica determina il tungsteno nei graniti e nelle ardesie, l'antimonio, lo stagno e il piombo nelle rocce e nei fosfati; metodo di assorbimento atomico - magnesio e silicio nei silicati; Fluorescenza a raggi X - vanadio in ilmenite, magnesite, allumina; spettrometrico di massa - manganese nella regolite lunare; attivazione neutronica - ferro, zinco, antimonio, argento, cobalto, selenio e scandio nell'olio; metodo di diluizione isotopica - cobalto in rocce silicatiche.
I metodi fisici e fisico-chimici sono talvolta chiamati strumentali, poiché questi metodi richiedono l'uso di strumenti (attrezzature) appositamente adattati per eseguire le fasi principali dell'analisi e registrarne i risultati.
Metodi fisici e chimici l'analisi può includere trasformazioni chimiche dell'analita, dissoluzione del campione, concentrazione del componente analizzato, mascheramento di sostanze interferenti e altro. A differenza dei metodi di analisi chimici "classici", in cui la massa di una sostanza o il suo volume funge da segnale analitico, i metodi di analisi fisico-chimici utilizzano l'intensità della radiazione, l'intensità della corrente, la conduttività elettrica e la differenza di potenziale come segnale analitico.
I metodi basati sullo studio dell'emissione e dell'assorbimento sono di grande importanza pratica. radiazioni elettromagnetiche in diverse regioni dello spettro. Questi includono la spettroscopia (ad esempio, analisi luminescente, analisi spettrale, nefelometria e turbidimetria e altri). Importanti metodi di analisi fisico-chimici includono metodi elettrochimici che utilizzano la misurazione delle proprietà elettriche di una sostanza (coulometria, potenziometria, ecc.), nonché cromatografia (ad esempio gascromatografia, cromatografia liquida, cromatografia a scambio ionico, cromatografia su strato sottile ). Sono stati sviluppati con successo metodi basati sulla misurazione della velocità delle reazioni chimiche (metodi cinetici di analisi), degli effetti termici delle reazioni (titolazione termometrica) e sulla separazione degli ioni in un campo magnetico (spettrometria di massa).
3. SEGNALE ANALITICO
4.3. METODI CHIMICI
4.8. METODI TERMICI
6. ELENCO DELLA LETTERATURA USATA
L'analisi chimica serve come mezzo per monitorare la produzione e la qualità dei prodotti in numerosi settori dell'economia nazionale. L'esplorazione mineraria si basa in varia misura sui risultati dell'analisi. L'analisi è il mezzo principale per monitorare l'inquinamento ambientale. Scoprire la composizione chimica di suoli, fertilizzanti, mangimi e prodotti agricoli è importante per il normale funzionamento del complesso agroindustriale. L'analisi chimica è indispensabile nella diagnostica medica e nelle biotecnologie. Lo sviluppo di molte scienze dipende dal livello di analisi chimica, dall'attrezzatura del laboratorio con metodi, strumenti e reagenti.
La base scientifica dell'analisi chimica è la chimica analitica, una scienza che è stata una parte, e talvolta la parte principale, della chimica per secoli.
La chimica analitica è la scienza che determina la composizione chimica delle sostanze e in parte la loro struttura chimica. I metodi di chimica analitica consentono di rispondere a domande su in cosa consiste una sostanza, quali componenti sono inclusi nella sua composizione. Questi metodi spesso consentono di scoprire in quale forma è presente un determinato componente in una sostanza, ad esempio per determinare lo stato di ossidazione di un elemento. A volte è possibile stimare la disposizione spaziale dei componenti.
Quando si sviluppano metodi, spesso è necessario prendere in prestito idee da campi scientifici correlati e adattarle ai propri obiettivi. Il compito della chimica analitica include lo sviluppo dei fondamenti teorici dei metodi, la definizione dei limiti della loro applicabilità, la valutazione delle caratteristiche metrologiche e di altro tipo, la creazione di metodi per l'analisi di vari oggetti.
I metodi ei mezzi di analisi sono in continua evoluzione: vengono coinvolti nuovi approcci, vengono utilizzati nuovi principi e fenomeni, spesso provenienti da ambiti del sapere lontani.
Il metodo di analisi è inteso come un metodo abbastanza universale e teoricamente giustificato per determinare la composizione, indipendentemente dal componente da determinare e dall'oggetto da analizzare. Quando si parla di metodo di analisi, si intende il principio sotteso, l'espressione quantitativa del rapporto tra la composizione e l'eventuale proprietà misurata; tecniche di attuazione selezionate, compresa la rilevazione e l'eliminazione delle interferenze; dispositivi per l'implementazione pratica e metodi per elaborare i risultati delle misurazioni. La metodologia di analisi è una descrizione dettagliata dell'analisi di un determinato oggetto utilizzando il metodo selezionato.
Ci sono tre funzioni della chimica analitica come campo di conoscenza:
1. soluzione di problemi generali di analisi,
2. sviluppo di metodi analitici,
3. soluzione di specifici problemi di analisi.
Si può anche distinguere qualitativo e quantitativo analisi. Il primo decide la questione di quali componenti includa l'oggetto analizzato, il secondo fornisce informazioni sul contenuto quantitativo di tutti o singoli componenti.
Tutti i metodi esistenti di chimica analitica possono essere suddivisi in metodi di campionamento, decomposizione dei campioni, separazione dei componenti, rilevamento (identificazione) e determinazione. Esistono metodi ibridi che combinano separazione e definizione. I metodi di rilevamento e definizione hanno molto in comune.
I metodi di determinazione sono della massima importanza. Possono essere classificati in base alla natura della proprietà misurata o al modo in cui viene registrato il segnale corrispondente. I metodi di determinazione sono suddivisi in chimico , fisico e biologico. I metodi chimici si basano su reazioni chimiche (incluse quelle elettrochimiche). Ciò include metodi chiamati fisico-chimici. I metodi fisici si basano su fenomeni e processi fisici, i metodi biologici si basano sul fenomeno della vita.
I requisiti principali per i metodi di chimica analitica sono: correttezza e buona riproducibilità dei risultati, basso limite di rilevabilità dei componenti richiesti, selettività, rapidità, facilità di analisi e possibilità della sua automazione.
Quando si sceglie un metodo di analisi, è necessario conoscere chiaramente lo scopo dell'analisi, i compiti che devono essere risolti e valutare i vantaggi e gli svantaggi dei metodi di analisi disponibili.
3. SEGNALE ANALITICO
Dopo la selezione e la preparazione del campione, inizia la fase dell'analisi chimica, in cui viene rilevato il componente o ne viene determinata la quantità. A questo scopo, misurano segnale analitico. Nella maggior parte dei metodi, il segnale analitico è la media delle misurazioni quantità fisica nella fase finale dell'analisi, correlata funzionalmente al contenuto dell'analita.
Se è necessario rilevare qualsiasi componente, di solito viene risolto aspetto esteriore segnale analitico - l'aspetto di un precipitato, colore, linee nello spettro, ecc. L'aspetto di un segnale analitico deve essere registrato in modo affidabile. Quando si determina l'importo di un componente, viene misurato grandezza segnale analitico - massa del sedimento, intensità della corrente, intensità della linea dello spettro, ecc.
4. METODI DI CHIMICA ANALITICA
4.1. METODI DI MASCHERA, SEPARAZIONE E CONCENTRAZIONE
Mascheratura.
Il mascheramento è l'inibizione o la completa soppressione di una reazione chimica in presenza di sostanze che possono cambiarne la direzione o la velocità. In questo caso, non si forma una nuova fase. Esistono due tipi di mascheramento: termodinamico (equilibrio) e cinetico (non equilibrio). Nel mascheramento termodinamico, vengono create condizioni in cui la costante di reazione condizionale viene ridotta a tal punto che la reazione procede in modo insignificante. La concentrazione del componente mascherato diventa insufficiente per fissare in modo affidabile il segnale analitico. Il mascheramento cinetico si basa sull'aumento della differenza tra le velocità di reazione del mascherato e dell'analita con lo stesso reagente.
Separazione e concentrazione.
La necessità di separazione e concentrazione può essere dovuta ai seguenti fattori: il campione contiene componenti che interferiscono con la determinazione; la concentrazione dell'analita è inferiore al limite di rilevabilità del metodo; i componenti da determinare sono distribuiti in modo non uniforme nel campione; non ci sono campioni standard per la calibrazione degli strumenti; il campione è altamente tossico, radioattivo e costoso.
Separazione- si tratta di un'operazione (processo), a seguito della quale i componenti che compongono la miscela iniziale vengono separati l'uno dall'altro.
concentrazione- si tratta di un'operazione (processo), a seguito della quale aumenta il rapporto tra la concentrazione o quantità di microcomponenti e la concentrazione o quantità di macrocomponente.
Precipitazione e coprecipitazione.
Le precipitazioni vengono solitamente utilizzate per separare sostanze inorganiche. La precipitazione dei microcomponenti da parte dei reagenti organici, e in particolare la loro coprecipitazione, forniscono un fattore di concentrazione elevato. Questi metodi vengono utilizzati in combinazione con metodi di determinazione progettati per ottenere un segnale analitico da campioni solidi.
La separazione per precipitazione si basa sulla diversa solubilità dei composti, principalmente in soluzioni acquose.
La coprecipitazione è la distribuzione di un microcomponente tra una soluzione e un precipitato.
Estrazione.
L'estrazione è un processo fisico-chimico di distribuzione di una sostanza tra due fasi, il più delle volte tra due liquidi immiscibili. È anche un processo di trasferimento di massa con reazioni chimiche.
I metodi di estrazione sono adatti per concentrazione, estrazione di microcomponenti o macrocomponenti, isolamento individuale e di gruppo di componenti nell'analisi di vari oggetti industriali e naturali. Il metodo è semplice e veloce da eseguire, fornisce un'elevata efficienza di separazione e concentrazione ed è compatibile con vari metodi di determinazione. L'estrazione consente di studiare lo stato delle sostanze in soluzione in varie condizioni, per determinarne le caratteristiche fisico-chimiche.
Assorbimento.
L'assorbimento è ben utilizzato per la separazione e la concentrazione di sostanze. I metodi di assorbimento di solito forniscono una buona selettività di separazione e valori elevati di fattori di concentrazione.
Assorbimento- il processo di assorbimento di gas, vapori e sostanze disciolte da parte di assorbitori solidi o liquidi su un supporto solido (assorbenti).
Separazione elettrolitica e cementazione.
Il metodo più comune di separazione elettorale, in cui la sostanza separata o concentrata viene isolata su elettrodi solidi allo stato elementare o sotto forma di un qualche tipo di composto. Isolamento elettrolitico (elettrolisi) basato sulla deposizione di una sostanza mediante corrente elettrica a potenziale controllato. La variante più comune della deposizione catodica di metalli. Il materiale dell'elettrodo può essere carbonio, platino, argento, rame, tungsteno, ecc.
elettroforesi si basa sulle differenze nelle velocità di movimento di particelle di diverse cariche, forme e dimensioni in un campo elettrico. La velocità di movimento dipende dalla carica, dall'intensità del campo e dal raggio delle particelle. Esistono due tipi di elettroforesi: frontale (semplice) e zonale (su un vettore). Nel primo caso, un piccolo volume di una soluzione contenente i componenti da separare viene posto in una provetta con una soluzione elettrolitica. Nel secondo caso, il movimento avviene in un mezzo stabilizzante che mantiene le particelle in posizione dopo lo spegnimento del campo elettrico.
Metodo stuccatura consiste nella riduzione di componenti (solitamente piccole quantità) su metalli con potenziali sufficientemente negativi o almagami di metalli elettronegativi. Durante la cementazione avvengono contemporaneamente due processi: catodico (separazione del componente) e anodico (scioglimento del metallo di cementazione).
Metodi di evaporazione.
Metodi distillazione in base alla diversa volatilità delle sostanze. La sostanza passa dallo stato liquido allo stato gassoso, quindi condensa, formando nuovamente una fase liquida o talvolta solida.
Distillazione semplice (evaporazione)– processo di separazione e concentrazione monostadio. L'evaporazione rimuove le sostanze che sono sotto forma di composti volatili già pronti. Questi possono essere macrocomponenti e microcomponenti, la distillazione di questi ultimi è usata meno frequentemente.
Sublimazione (sublimazione)- trasferimento di una sostanza dallo stato solido allo stato gassoso e sua successiva precipitazione allo stato solido (bypassando la fase liquida). Di solito si ricorre alla separazione per sublimazione se i componenti da separare sono difficili da fondere o sono difficili da sciogliere.
Cristallizzazione controllata.
Quando una soluzione, una massa fusa o un gas vengono raffreddati, si formano nuclei in fase solida - cristallizzazione, che può essere incontrollata (alla rinfusa) e controllata. Con la cristallizzazione incontrollata, i cristalli sorgono spontaneamente in tutto il volume. Con la cristallizzazione controllata, il processo è impostato da condizioni esterne (temperatura, direzione del movimento delle fasi, ecc.).
Esistono due tipi di cristallizzazione controllata: cristallizzazione direzionale(in una determinata direzione) e fusione a zona(movimento di una zona liquida in un corpo solido in una certa direzione).
Con la cristallizzazione direzionale, appare un'interfaccia tra un solido e un liquido: il fronte di cristallizzazione. Ci sono due confini nella zona di fusione: il fronte di cristallizzazione e il fronte di fusione.
4.2. METODI CROMATOGRAFICI
La cromatografia è il metodo analitico più comunemente utilizzato. I più recenti metodi cromatografici possono determinare sostanze gassose, liquide e solide con pesi molecolari da unità a 10 6 . Questi possono essere isotopi di idrogeno, ioni metallici, polimeri sintetici, proteine, ecc. La cromatografia ha fornito ampie informazioni sulla struttura e le proprietà di molte classi di composti organici.
Cromatografia- Questo è un metodo fisico-chimico di separazione delle sostanze, basato sulla distribuzione dei componenti tra due fasi: stazionaria e mobile. La fase stazionaria (stazionaria) è di solito solido(spesso indicato come assorbente) o un film di liquido depositato su un solido. La fase mobile è un liquido o gas che scorre attraverso la fase stazionaria.
Il metodo consente di separare una miscela multicomponente, identificare i componenti e determinarne la composizione quantitativa.
I metodi cromatografici sono classificati secondo i seguenti criteri:
a) in base allo stato di aggregazione della miscela, in cui è separata in componenti: cromatografia gassosa, liquida e gas-liquida;
b) secondo il meccanismo di separazione - cromatografia di adsorbimento, distribuzione, scambio ionico, sedimentaria, redox, adsorbimento-complessazione;
c) secondo la forma del processo cromatografico: colonna, capillare, planare (carta, strato sottile e membrana).
4.3. METODI CHIMICI
I metodi chimici di rilevamento e determinazione si basano su reazioni chimiche di tre tipi: formazione acido-base, redox e complessa. A volte sono accompagnati da un cambiamento stato di aggregazione componenti. I più importanti tra i metodi chimici sono gravimetrici e titrimetrici. Questi metodi analitici sono chiamati classici. Criteri per l'idoneità di una reazione chimica come base metodo analitico nella maggior parte dei casi sono a flusso completo e ad alta velocità.
metodi gravimetrici.
L'analisi gravimetrica consiste nell'isolare una sostanza nella sua forma pura e nel pesarla. Molto spesso, tale isolamento viene effettuato dalle precipitazioni. Un componente meno comunemente determinato viene isolato come composto volatile (metodi di distillazione). In alcuni casi, la gravimetria è il modo migliore per risolvere un problema analitico. Questo è un metodo assoluto (di riferimento).
Lo svantaggio dei metodi gravimetrici è la durata della determinazione, soprattutto nelle analisi seriali di un gran numero di campioni, nonché la non selettività: i reagenti precipitanti, con poche eccezioni, sono raramente specifici. Pertanto, sono spesso necessarie separazioni preliminari.
La massa è il segnale analitico in gravimetria.
metodi titrimetrici.
Il metodo titrimetrico dell'analisi chimica quantitativa è un metodo basato sulla misurazione della quantità di reagente B spesa nella reazione con la determinazione del componente A. In pratica, è più conveniente aggiungere il reagente sotto forma di una soluzione di concentrazione esattamente nota . In questa versione, la titolazione è il processo di aggiunta continua di una quantità controllata di una soluzione di reagente di concentrazione esattamente nota (titrano) a una soluzione del componente da determinare.
Nella titolazione vengono utilizzati tre metodi di titolazione: titolazione diretta, inversa e sostituente.
titolazione diretta- è la titolazione di una soluzione dell'analita A direttamente con una soluzione di titolante B. Viene utilizzata se la reazione tra A e B procede rapidamente.
Titolazione indietro consiste nell'aggiungere all'analita A un eccesso di una quantità ben nota di soluzione standard B e, dopo il completamento della reazione tra di loro, titolare la quantità rimanente di B con una soluzione di titolano B'. Questo metodo viene utilizzato nei casi in cui la reazione tra A e B non è sufficientemente veloce o non esiste un indicatore adatto per fissare il punto di equivalenza della reazione.
Titolazione sostitutiva consiste nella titolazione con il titolante B non di una determinata quantità di sostanza A, ma di una quantità equivalente di sostituente A', risultante da una reazione preliminare tra una determinata sostanza A e qualche reagente. Questo metodo di titolazione viene solitamente utilizzato nei casi in cui è impossibile eseguire la titolazione diretta.
Metodi cinetici.
I metodi cinetici si basano sulla dipendenza della velocità di una reazione chimica dalla concentrazione dei reagenti e, nel caso delle reazioni catalitiche, dalla concentrazione del catalizzatore. Il segnale analitico nei metodi cinetici è la velocità del processo o una quantità ad essa proporzionale.
La reazione alla base del metodo cinetico è chiamata indicatore. Una sostanza la cui variazione di concentrazione viene utilizzata per giudicare la velocità di un processo indicatore è indicatore.
metodi biochimici.
I metodi biochimici occupano un posto importante tra i moderni metodi di analisi chimica. I metodi biochimici comprendono metodi basati sull'uso di processi che coinvolgono componenti biologici (enzimi, anticorpi, ecc.). In questo caso, il segnale analitico è il più delle volte velocità di partenza processo, o la concentrazione finale di uno dei prodotti di reazione, determinata con qualsiasi metodo strumentale.
Metodi enzimatici basato sull'uso di reazioni catalizzate da enzimi - catalizzatori biologici, caratterizzati da elevata attività e selettività d'azione.
Metodi immunochimici le analisi si basano sul legame specifico del composto determinato - antigene da parte degli anticorpi corrispondenti. La reazione immunochimica in soluzione tra anticorpi e antigeni è un processo complesso che avviene in più fasi.
4.4. METODI ELETTROCHIMICI
I metodi elettrochimici di analisi e ricerca si basano sullo studio e l'uso di processi che si verificano sulla superficie dell'elettrodo o nello spazio vicino all'elettrodo. Qualsiasi parametro elettrico (potenziale, intensità di corrente, resistenza, ecc.) che è funzionalmente correlato alla concentrazione della soluzione analizzata e può essere misurato correttamente può fungere da segnale analitico.
Esistono metodi elettrochimici diretti e indiretti. Nei metodi diretti viene utilizzata la dipendenza della forza attuale (potenziale, ecc.) dalla concentrazione dell'analita. Nei metodi indiretti, viene misurata la forza attuale (potenziale, ecc.) per trovare il punto finale della titolazione dell'analita con un titolante adatto, ad es. utilizzare la dipendenza del parametro misurato dal volume del titolante.
Per qualsiasi tipo di misura elettrochimica è necessario un circuito elettrochimico o una cella elettrochimica il cui componente è la soluzione analizzata.
Esistere vari modi classificazione dei metodi elettrochimici - da molto semplici a molto complessi, inclusa la considerazione dei dettagli dei processi degli elettrodi.
4.5. METODI SPETTROSCOPICI
I metodi di analisi spettroscopica includono metodi fisici basati sull'interazione della radiazione elettromagnetica con la materia. Questa interazione porta a varie transizioni energetiche, che sono registrate sperimentalmente sotto forma di assorbimento di radiazione, riflessione e diffusione della radiazione elettromagnetica.
4.6. METODI SPETTROMETRICI DI MASSA
Il metodo di analisi spettrometrico di massa si basa sulla ionizzazione di atomi e molecole della sostanza emessa e sulla successiva separazione degli ioni risultanti nello spazio o nel tempo.
L'applicazione più importante della spettrometria di massa è stata quella di identificare e stabilire la struttura dei composti organici. L'analisi molecolare di miscele complesse di composti organici deve essere eseguita dopo la loro separazione cromatografica.
4.7. METODI DI ANALISI BASATI SULLA RADIOATTIVITÀ
I metodi di analisi basati sulla radioattività sono sorti nell'era dello sviluppo della fisica nucleare, della radiochimica e della tecnologia atomica e sono ora utilizzati con successo in varie analisi, anche nell'industria e nel servizio geologico. Questi metodi sono molto numerosi e vari. Si possono distinguere quattro gruppi principali: analisi radioattive; metodi di diluizione isotopica e altri metodi di radiotracciante; metodi basati sull'assorbimento e sulla diffusione delle radiazioni; metodi puramente radiometrici. Il più diffuso metodo radioattivo. Questo metodo è apparso dopo la scoperta della radioattività artificiale e si basa sulla formazione di isotopi radioattivi dell'elemento determinato irradiando il campione con particelle nucleari o g e registrando la radioattività artificiale ottenuta durante l'attivazione.
4.8. METODI TERMICI
I metodi di analisi termica si basano sull'interazione della materia con l'energia termica. Gli effetti termici, che sono la causa o l'effetto delle reazioni chimiche, sono più ampiamente utilizzati nella chimica analitica. In misura minore vengono utilizzati metodi basati sul rilascio o sull'assorbimento di calore a seguito di processi fisici. Questi sono processi associati al passaggio di una sostanza da una modifica all'altra, con un cambiamento nello stato di aggregazione e altri cambiamenti nell'interazione intermolecolare, ad esempio, che si verificano durante la dissoluzione o la diluizione. La tabella mostra i metodi più comuni di analisi termica.
I metodi termici sono utilizzati con successo per l'analisi di materiali metallurgici, minerali, silicati e polimeri, per l'analisi di fase dei suoli e per determinare il contenuto di umidità nei campioni.
4.9. METODI BIOLOGICI DI ANALISI
I metodi biologici di analisi si basano sul fatto che per l'attività vitale - crescita, riproduzione e, in generale, il normale funzionamento degli esseri viventi, è necessario un ambiente con una composizione chimica rigorosamente definita. Quando questa composizione cambia, ad esempio quando un componente viene escluso dal mezzo o viene introdotto un composto aggiuntivo (determinato), il corpo, dopo qualche tempo, a volte quasi immediatamente, fornisce un opportuno segnale di risposta. Stabilire una connessione tra la natura o l'intensità del segnale di risposta del corpo e la quantità di un componente introdotto nell'ambiente o escluso dall'ambiente serve a rilevarlo e determinarlo.
Gli indicatori analitici nei metodi biologici sono vari organismi viventi, i loro organi e tessuti, funzioni fisiologiche, ecc. Microrganismi, invertebrati, vertebrati e piante possono fungere da organismi indicatori.
5. CONCLUSIONE
Il significato della chimica analitica è determinato dalla necessità della società di risultati analitici, nello stabilire la composizione qualitativa e quantitativa delle sostanze, il livello di sviluppo della società, la necessità sociale dei risultati dell'analisi, nonché il livello di sviluppo della chimica analitica stessa.
Una citazione dal libro di testo di N.A. Menshutkin sulla chimica analitica, 1897: "Avendo presentato l'intero corso delle lezioni di chimica analitica sotto forma di problemi, la cui soluzione è lasciata allo studente, dobbiamo sottolineare che per tale soluzione dei problemi , la chimica analitica darà un percorso rigorosamente definito. Questa certezza (risoluzione sistematica dei problemi di chimica analitica) è di grande importanza pedagogica, allo stesso tempo lo studente impara ad applicare le proprietà dei composti alla risoluzione di problemi, a derivare le condizioni di reazione e a combinarle. Tutta questa serie di processi mentali può essere espressa come segue: la chimica analitica insegna il pensiero chimico. Il raggiungimento di quest'ultimo sembra essere il più importante per gli studi pratici in chimica analitica.
ELENCO DELLA LETTERATURA USATA
1. KM Olshanova, SK Piskareva, KM Barashkov "Chimica analitica", Mosca, "Chimica", 1980
2. "Chimica analitica. Metodi chimici di analisi", Mosca, "Chimica", 1993
3. “Fondamenti di chimica analitica. Libro 1, Mosca, Scuola superiore, 1999
4. “Fondamenti di chimica analitica. Libro 2, Mosca, Scuola superiore, 1999
