Seu assunto como ciência é o aprimoramento dos existentes e o desenvolvimento de novos métodos de análise, sua aplicação prática, pesquisa fundações teóricas Métodos analíticos.
Dependendo da tarefa, a química analítica é subdividida em análise qualitativa, destinada a determinar se o que ou que tipo substância, de que forma ela está na amostra, e análises quantitativas destinadas a determinar Quantos uma determinada substância (elementos, íons, formas moleculares, etc.) está na amostra.
A determinação da composição elementar de objetos materiais é chamada Análise Elemental. O estabelecimento da estrutura de compostos químicos e suas misturas em nível molecular é chamado de análise molecular. Um dos tipos de análise molecular de compostos químicos é a análise estrutural que visa estudar a estrutura atômica espacial das substâncias, estabelecer fórmulas empíricas, pesos moleculares, etc. As tarefas da química analítica incluem determinar as características de objetos orgânicos, inorgânicos e bioquímicos. Análise compostos orgânicos de acordo com os grupos funcionais são chamados análise funcional.
A química analítica existe desde que houve a química em seu sentido moderno, e muitas das técnicas utilizadas nela remontam a uma época ainda anterior, a era da alquimia, cuja principal tarefa era precisamente a determinação da composição de vários substâncias naturais e o estudo dos processos de suas transformações mútuas. Mas, com o desenvolvimento da química como um todo, os métodos de trabalho usados nela também foram significativamente melhorados e, juntamente com seu significado puramente auxiliar de um dos departamentos auxiliares de química, a química analítica atualmente tem o valor de um departamento de conhecimento químico completamente independente com questões teóricas muito sérias e importantes. Uma influência muito importante no desenvolvimento da química analítica foi a química física moderna, que a enriqueceu com uma série de métodos de trabalho completamente novos e fundações teóricas, que incluem a doutrina das soluções (ver), a teoria da dissociação eletrolítica, a lei da ação das massas (ver. Equilíbrio químico) e toda a doutrina da afinidade química.
Agregar métodos tradicionais a determinação da composição de uma substância por sua decomposição química sequencial era chamada de "química úmida" ("análise úmida"). Esses métodos têm precisão relativamente baixa, exigem qualificações relativamente baixas de analistas e agora foram quase completamente substituídos por métodos modernos. métodos instrumentais(óptico, espectrométrico de massa, electroquímico, cromatográfico e outros métodos físicos e químicos) determinação da composição de uma substância. No entanto, a química úmida tem sua vantagem sobre os métodos espectrométricos - permite o uso de procedimentos padronizados (análise sistemática) para determinar diretamente a composição e vários estados de oxidação de elementos como ferro (Fe + 2 , Fe + 3), titânio etc.
Os métodos analíticos podem ser divididos em brutos e locais. Os métodos brutos de análise geralmente requerem uma substância separada e detalhada (amostra representativa). Métodos locais determinar a composição de uma substância em um pequeno volume na própria amostra, o que possibilita a elaboração de "mapas" da distribuição das propriedades químicas da amostra sobre sua superfície e/ou profundidade. Deve também destacar os métodos análise direta, ou seja, não associado à preparação preliminar da amostra. A preparação da amostra é frequentemente necessária (por exemplo, trituração, pré-concentração ou separação). Ao preparar amostras, interpretar resultados, estimar o número de análises, são utilizados métodos estatísticos.
Para determinar a composição qualitativa de qualquer substância, é necessário estudar suas propriedades, que, do ponto de vista da química analítica, podem ser de dois tipos: as propriedades da substância como tal e suas propriedades nas transformações químicas.
Os primeiros incluem: o estado físico (sólido, líquido, gasoso), sua estrutura no estado sólido (substância amorfa ou cristalina), cor, cheiro, sabor, etc. sentimentos de uma pessoa, é possível estabelecer a natureza deste substância. Na maioria dos casos, no entanto, é necessário transformar uma determinada substância em alguma nova com propriedades características claramente expressas, usando para isso alguns compostos especialmente selecionados chamados reagentes.
As reações utilizadas em química analítica são extremamente diversas e dependem das propriedades físicas e do grau de complexidade da composição da substância em estudo. No caso em que um composto químico homogêneo e obviamente puro é submetido à análise química, o trabalho é realizado com relativa facilidade e rapidez; quando se tem que lidar com uma mistura de vários compostos químicos, a questão de sua análise, portanto, torna-se mais complicada, e na produção do trabalho é necessário aderir a um certo sistema definido para não negligenciar um único elemento entrando a substância. Existem dois tipos de reações em química analítica: reações do caminho molhado(em soluções) e reações secas..
Na análise química qualitativa, são usadas apenas reações em soluções que são facilmente percebidas pelos sentidos humanos, e o momento da ocorrência da reação é reconhecido por um dos seguintes fenômenos:
Precipitação nas reações de análise química depende da formação de alguma substância insolúvel em água; se, por exemplo, ácido sulfúrico ou seu sal solúvel em água for adicionado a uma solução de um sal de bário, um precipitado pulverulento branco de sulfato de bário é formado:
BaCl 2 + H 2 SO 4 \u003d 2HCl + BaSO 4 ↓
Tendo em mente que alguns outros metais, por exemplo, o chumbo, capaz de formar um sal sulfato insolúvel PbSO 4, pode dar uma reação semelhante à formação de um precipitado branco sob a ação do ácido sulfúrico, para ter certeza absoluta de que é isso ou daquele metal, é necessário produzir mais reações de verificação, submetendo o precipitado formado na reação a um estudo adequado.
Para realizar com sucesso a reação de formação de precipitação, além da seleção do reagente apropriado, também é necessário observar uma série de condições muito importantes em relação à força das soluções do sal e do reagente estudados, a proporção de ambos, temperatura, duração da interação, etc. Ao considerar a precipitação formada na análise de reações químicas, é necessário prestar atenção ao aparência, ou seja, na cor, estrutura (precipitados amorfos e cristalinos), etc., bem como nas suas propriedades em relação à influência do aquecimento, ácidos ou álcalis, etc. horas, desde que sejam mantidos a uma determinada temperatura .
A reação de formação de precipitado, independentemente de sua significância qualitativa na análise química, é frequentemente usada para separar certos elementos uns dos outros. Para isso, uma solução contendo compostos de dois ou mais elementos é tratada com um reagente apropriado capaz de converter alguns deles em compostos insolúveis, e então o precipitado formado é separado da solução (filtrado) por filtração, examinando-os separadamente. Se tomarmos, por exemplo, sais de cloreto de potássio e cloreto de bário e adicionarmos ácido sulfúrico a eles, forma-se um precipitado insolúvel de sulfato de bário BaSO 4 e sulfato de potássio K 2 SO 4 solúvel em água, que pode ser separado por filtração . Ao separar o precipitado de uma substância insolúvel em água da solução, deve-se primeiro ter o cuidado de garantir que ele obtenha uma estrutura adequada que permita que o trabalho de filtração seja realizado sem dificuldade e, depois de recolhido no filtro, é necessário lavá-lo completamente de impurezas estranhas. De acordo com os estudos de W. Ostwald, deve-se ter em mente que ao usar uma certa quantidade de água para lavar, é mais conveniente lavar o sedimento muitas vezes com pequenas porções de água do que vice-versa - várias vezes com grandes porções . Quanto ao sucesso da reação de separação de um elemento na forma de um precipitado insolúvel, então, com base na teoria das soluções, W. Ostwald descobriu que para uma separação suficientemente completa de um elemento na forma de um precipitado insolúvel, é sempre necessário tomar um excesso do reagente utilizado para a precipitação.
Mudando a cor da soluçãoé uma das características muito importantes nas reações de análise química e tem um importância, especialmente em conexão com os processos de oxidação e redução, bem como no trabalho com indicadores químicos (veja abaixo - alcalimetria e acidimetria).
Exemplos reações de cor o seguinte pode servir na análise química qualitativa: o tiocianato de potássio KCNS dá uma coloração vermelho-sangue característica com sais de óxido de ferro; com sais de óxido ferroso, o mesmo reagente não dá nada. Se algum agente oxidante, por exemplo, água clorada, for adicionado a uma solução de cloreto férrico FeCl 2, de cor levemente verde, a solução fica amarela devido à formação de cloreto férrico, que é o mais alto grau oxidação deste metal. Se tomarmos dicromato de potássio K 2 Cr 2 O 7 cor laranja e adicionar a ele em uma solução um pouco de ácido sulfúrico e algum agente redutor, por exemplo, álcool de vinho, a cor laranja muda para verde escuro, correspondendo à formação do menor estado de oxidação do cromo na forma de um sal de sulfato de cromo Cr 3 (SO 4) 3.
Dependendo do curso da análise química, esses processos de oxidação e redução geralmente precisam ser realizados. Os agentes oxidantes mais importantes são: halogênios, ácido nítrico, peróxido de hidrogênio, permanganato de potássio, dicromato de potássio; os agentes redutores mais importantes são: hidrogênio no momento do isolamento, sulfeto de hidrogênio, ácido sulfuroso, cloreto de estanho, iodeto de hidrogênio.
Reações de desgaseificação em soluções na produção de análises químicas de alta qualidade, na maioria das vezes elas não têm significado independente e são reações auxiliares; na maioria das vezes você tem que se deparar com a liberação de dióxido de carbono CO 2 - sob a ação de ácidos em sais carbônicos, sulfeto de hidrogênio - durante a decomposição de metais sulfetos com ácidos, etc.
Essas reações são utilizadas em análises químicas, principalmente nas chamadas. "teste preliminar", ao testar precipitados para pureza, para reações de verificação e no estudo de minerais. As reações mais importantes deste tipo consistem em testar uma substância em relação a:
Para a produção desses testes, na maioria dos casos, é utilizada uma chama não luminosa de um queimador a gás. Os principais componentes do gás de iluminação (hidrogênio, monóxido de carbono, gás de pântano e outros hidrocarbonetos) são agentes redutores, mas quando é queimado no ar (ver Combustão), forma-se uma chama, em várias partes das quais se pode encontrar as condições necessário para redução ou oxidação, e igual ao aquecimento a uma temperatura mais ou menos alta.
Teste de fusibilidadeÉ realizado principalmente no estudo de minerais, para os quais um fragmento muito pequeno deles, reforçado em um fino fio de platina, é introduzido na parte da chama que tem a temperatura mais alta e, em seguida, usando uma lupa, observam quão arredondadas são as bordas da amostra.
Teste de cor da chamaé produzido introduzindo uma pequena amostra de sépia uma pequena amostra da substância em um fio de platina, primeiro na base da chama e depois na parte dela com a temperatura mais alta.
Teste de volatilidadeÉ produzido aquecendo uma amostra de uma substância em um cilindro de ensaio ou em um tubo de vidro selado em uma extremidade, e as substâncias voláteis se transformam em vapores, que se condensam na parte mais fria.
Oxidação e redução a seco pode ser produzido em bolas de bórax fundido ( 2 4 7 + 10 2 ) A substância de teste é introduzida em pequena quantidade em bolas obtidas pela fusão desses sais em fio de platina, e depois são aquecidas na parte oxidante ou redutora da chama . A restauração pode ser feita de várias outras maneiras, a saber: aquecimento em uma vara carbonizada com refrigerante, aquecimento em tubo de vidro com metais - sódio, potássio ou magnésio, aquecimento em carvão com maçarico, aquecimento simples.
A classificação dos elementos adotada na química analítica baseia-se na mesma divisão deles como é habitual na química geral - em metais e não metais (metalóides), sendo este último considerado mais frequentemente na forma dos ácidos correspondentes. Para produzir uma análise qualitativa sistemática, cada uma dessas classes de elementos é dividida em grupos com algumas características comuns de grupo.
Metais em química analítica são divididos em dois departamentos, que por sua vez são divididos em cinco grupos:
O alumínio e o cromo não formam compostos de enxofre na água; os metais restantes formam compostos de enxofre, que, como seus óxidos, são solúveis em ácidos fracos. A partir de uma solução ácida, o sulfeto de hidrogênio não os precipita, o sulfeto de amônio precipita óxidos ou compostos de enxofre. O sulfeto de amônio é um reagente comum para este grupo e um excesso de seus compostos de enxofre não se dissolve. 4º grupo: prata, chumbo, bismuto, cobre, paládio, ródio, rutênio, ósmio. Os compostos de enxofre são insolúveis em ácidos fracos e são precipitados por sulfeto de hidrogênio em uma solução ácida; eles também são insolúveis em sulfeto de amônio. O sulfureto de hidrogénio é um reagente comum para este grupo. 5º grupo: estanho, arsênico, antimônio, ouro, platina. Os compostos de enxofre também são insolúveis em ácidos fracos e são precipitados por sulfeto de hidrogênio de uma solução ácida. Mas eles são solúveis em sulfeto de amônio e formam sulfassais solúveis em água com ele.
Não-metais (metalóides) devem ser descobertos na análise química sempre na forma dos ácidos que formam ou seus sais correspondentes. A base para dividir os ácidos em grupos são as propriedades de seus sais de bário e prata em relação à sua solubilidade em água e parcialmente em ácidos. O cloreto de bário é um reagente comum para o 1º grupo, nitrato de prata em solução de nitrato - para o 2º grupo, sais de bário e prata do 3º grupo de ácidos são solúveis em água. 1º grupo: em solução neutra, o cloreto de bário precipita sais insolúveis; os sais de prata são insolúveis em água, mas solúveis em ácido nítrico. Estes incluem os ácidos: crômico, sulfuroso, sulfuroso, aquoso, carbônico, silícico, sulfúrico, fluorosilícico (sais de bário insolúveis em ácidos), arsênico e arsênico. 2º grupo: em solução acidificada com ácido nítrico, precipita nitrato de prata. Estes incluem ácidos: clorídrico, bromídrico e iodídrico, cianídrico, sulfureto de hidrogénio, ferro e cianeto de ferro e iodo. 3º grupo: ácido nítrico e ácido clorídrico, que não são precipitados nem por nitrato de prata nem por cloreto de bário.
No entanto, deve-se ter em mente que os reagentes indicados para ácidos não são reagentes gerais que podem ser usados para separar ácidos em grupos. Esses reagentes podem apenas dar uma indicação da presença de um ácido ou outro grupo e, para descobrir cada ácido individual, é preciso usar suas reações particulares. A classificação acima de metais e não metais (metalóides) para fins de química analítica é adotada na escola e laboratórios russos (de acordo com N. A. Menshutkin), nos laboratórios da Europa Ocidental é adotada outra classificação, baseada, no entanto, essencialmente na mesma princípios.
Os fundamentos teóricos das reações de análise química qualitativa em soluções devem ser buscados, como já indicado acima, nos departamentos de química geral e físico-química sobre soluções e afinidade química. Uma das primeiras questões mais importantes é o estado de todos os minerais em soluções aquosas, em que, de acordo com a teoria da dissociação eletrolítica, todas as substâncias pertencentes às classes de sais, ácidos e álcalis se dissociam em íons. Portanto, todas as reações de análise química ocorrem não entre moléculas inteiras de compostos, mas entre seus íons. Por exemplo, a reação de cloreto de sódio NaCl e nitrato de prata AgNO 3 ocorre de acordo com a equação:
Na + + Cl - + Ag + + (NO 3) - = AgCl↓ + Na + + (NO 3) - íon sódio + íon cloreto + íon prata + ânion ácido nítrico = sal insolúvel + ânion ácido nítrico
Consequentemente, o nitrato de prata não é um reagente para cloreto de sódio ou ácido clorídrico, mas apenas para íon cloro. Assim, para cada sal em solução, do ponto de vista da química analítica, seu cátion (íon metálico) e seu ânion (resíduo ácido) devem ser considerados separadamente. Para um ácido livre, íons de hidrogênio e um ânion devem ser considerados; finalmente, para cada álcali, um cátion metálico e um ânion hidroxila. E, em essência, a tarefa mais importante da análise química qualitativa é estudar as reações de vários íons e formas de abri-los e separá-los uns dos outros.
Para atingir este último objetivo, pela ação de reagentes apropriados, os íons são convertidos em compostos insolúveis que precipitam da solução na forma de precipitação, ou são separados das soluções na forma de gases. Na mesma teoria da dissociação eletrolítica, deve-se buscar explicações sobre a ação dos indicadores químicos, que muitas vezes encontram aplicação na análise química. De acordo com a teoria de W. Ostwald, todos os indicadores químicos estão entre os ácidos relativamente fracos, parcialmente dissociados em soluções aquosas. Além disso, alguns deles têm moléculas inteiras incolores e ânions coloridos, outros, ao contrário, têm moléculas coloridas e um ânion incolor ou um ânion de cor diferente; expostos à influência de íons de hidrogênio livres de ácidos ou íons de hidroxila de álcalis, os indicadores químicos podem alterar o grau de sua dissociação e, ao mesmo tempo, sua cor. Os indicadores mais importantes são:
Os indicadores químicos têm uma aplicação muito importante na análise química em massa (veja abaixo). Nas reações de análise química qualitativa, muitas vezes também encontramos o fenômeno da hidrólise, ou seja, a decomposição de sais sob a influência da água, e solução de água adquire uma reação alcalina ou ácida mais ou menos forte.
Em uma análise química qualitativa, é importante determinar não apenas quais elementos ou compostos estão incluídos na composição de uma determinada substância, mas também em quais quantidades relativas são esses constituintes, aproximadamente. Para este efeito, é sempre necessário proceder a partir de certas quantidades do analito (geralmente é suficiente tomar 0,5-1 grama) e, no decorrer da análise, comparar a magnitude da precipitação individual entre si. Também é necessário usar soluções de reagentes de uma certa força, a saber: normal, seminormal, um décimo normal.
Cada análise química qualitativa é dividida em três partes:
Com relação à natureza do analito, quatro casos podem ocorrer:
Ao analisar substância não metálica sólida antes de tudo, é realizado um exame externo e um exame microscópico, bem como um teste preliminar pelos métodos de análise acima em forma seca. A amostra da substância é dissolvida, consoante a sua natureza, num dos seguintes solventes: água, ácido clorídrico, ácido nítrico e água régia (uma mistura de ácidos clorídrico e nítrico). Substâncias incapazes de se dissolver em qualquer um dos solventes indicados são transferidas para a solução por alguns métodos especiais, tais como: fusão com soda ou potassa, fervura com solução de soda, aquecimento com certos ácidos, etc. análise sistemática com isolamento preliminar de metais e ácidos por grupos e ainda dividindo-os em elementos separados, usando suas próprias reações particulares.
Ao analisar Liga metálica uma certa amostra disso é dissolvida em ácido nítrico (em casos raros em água régia), e a solução resultante é evaporada até a secura, após o que o resíduo sólido é dissolvido em água e submetido a análise sistemática.
Se a substância for líquido Em primeiro lugar, chama-se a atenção para sua cor, cheiro e reação ao tornassol (ácido, alcalino, neutro). Para garantir que não haja sólidos na solução, uma pequena porção do líquido é evaporada em uma placa de platina ou vidro de relógio. Após esses testes preliminares, o líquido é apalizado por métodos convencionais.
Análise gases produzidos por alguns métodos especiais indicados na análise quantitativa.
A análise química quantitativa visa determinar a quantidade relativa de constituintes individuais de um composto ou mistura química. Os métodos utilizados nele dependem das qualidades e composição da substância e, portanto, a análise química quantitativa deve sempre ser precedida pela análise química qualitativa.
Dois métodos diferentes podem ser usados para produzir análises quantitativas: gravimétrico e volumétrico. Com o método do peso, os corpos a serem determinados são isolados na forma, se possível, de compostos insolúveis ou dificilmente solúveis de composição química conhecida, e seu peso é determinado, com base no qual é possível encontrar a quantidade de o elemento desejado por cálculo. Na análise volumétrica, são medidos os volumes de soluções tituladas (contendo uma certa quantidade de reagente) usadas para análise. Além disso, vários métodos especiais de análise química quantitativa diferem, a saber:
Um grupo muito especial é análise química médica fila de abraços vários métodos estudos de sangue, urina e outros produtos residuais do corpo humano.
Os métodos de análise química quantitativa de peso são de dois tipos: método de análise direta e método de análise indireta (indireta). No primeiro caso, o componente a ser determinado é isolado na forma de algum composto insolúvel, e o peso deste último é determinado. A análise indireta baseia-se no fato de que duas ou mais substâncias submetidas ao mesmo tratamento químico sofrem variações desiguais em seu peso. Tendo, por exemplo, uma mistura de cloreto de potássio e nitrato de sódio, pode-se determinar o primeiro deles por análise direta, precipitando cloro na forma de cloreto de prata e pesando-o. Se houver uma mistura de sais de potássio e cloreto de sódio, é possível determinar sua proporção por método indireto, precipitando todo o cloro, na forma de cloreto de prata, e determinando seu peso, seguido de cálculo.
QUÍMICA ANALÍTICA, a ciência de determinar a composição química de substâncias e materiais e, até certo ponto, a estrutura química de compostos. A química analítica desenvolve os fundamentos teóricos gerais da análise química, desenvolve métodos para determinar os componentes de uma amostra em estudo e resolve os problemas de análise de objetos específicos. O principal objetivo da química analítica é a criação de métodos e ferramentas que proporcionem, dependendo da tarefa, exatidão, alta sensibilidade, rapidez e seletividade de análise. Também estão sendo desenvolvidos métodos para analisar micro-objetos, para realizar análises locais (em um ponto, na superfície etc.), análises sem destruir a amostra, à distância dela (análise remota), análise contínua (por exemplo, , em um córrego), e também estabelecer, na forma de qual composto químico e em que forma física o componente determinado existe na amostra (análise química do material) e em que fase está incluído (análise de fase). Tendências importantes no desenvolvimento da química analítica são a automação das análises, especialmente no controle de processos tecnológicos, e a matematização, em particular o uso generalizado de computadores.
A estrutura da ciência. Existem três grandes áreas da química analítica: fundamentos teóricos gerais; desenvolvimento de métodos de análise; química analítica de objetos individuais. Dependendo do objetivo da análise, é feita uma distinção entre análise química qualitativa e análise química quantitativa. A tarefa do primeiro é detectar e identificar os componentes da amostra analisada, a tarefa do segundo é determinar suas concentrações ou massas. Dependendo de quais componentes precisam ser detectados ou determinados, há análise isotópica, análise elementar, análise de grupo estrutural (incluindo funcional), análise molecular, análise de material e análise de fase. Pela natureza do objeto analisado, distingue-se a análise de substâncias inorgânicas e orgânicas, bem como de objetos biológicos.
A chamada quimiometria, incluindo a metrologia da análise química, ocupa um lugar importante nos fundamentos teóricos da química analítica. A teoria da química analítica também inclui os ensinamentos sobre a seleção e preparação de amostras analíticas, sobre a compilação de um esquema de análise e a escolha de métodos, sobre os princípios e formas de automatizar a análise, o uso de computadores, bem como os princípios uso racional resultados de análises químicas. Uma característica da química analítica é o estudo não geral, mas individual, das propriedades e características específicas dos objetos, o que garante a seletividade de muitos métodos analíticos. Graças a ligações estreitas com as conquistas da física, matemática, biologia e vários campos da tecnologia (isso é especialmente verdadeiro para os métodos de análise), a química analítica está se transformando em uma disciplina na interseção das ciências. Outros nomes desta disciplina são frequentemente usados - analytics, ciência analítica, etc.
Em química analítica distinguem-se métodos de separação, determinação (detecção) e métodos híbridos de análise, geralmente combinando os métodos dos dois primeiros grupos. Os métodos de determinação são convenientemente divididos em métodos químicos de análise (análise gravimétrica, análise titrimétrica, métodos eletroquímicos de análise, métodos cinéticos de análise), métodos físicos análise (espectroscópica, físico-nuclear, etc.), métodos bioquímicos de análise e método biológico de análise. Os métodos químicos são baseados em reações químicas (a interação da matéria com a matéria), os métodos físicos são baseados em fenômenos físicos (a interação da matéria com a radiação, fluxos de energia), os métodos biológicos usam a resposta dos organismos ou seus fragmentos às mudanças no ambiente .
Quase todos os métodos de determinação são baseados na dependência de quaisquer propriedades mensuráveis das substâncias em sua composição. Portanto, uma direção importante na química analítica é a busca e estudo de tais dependências para usá-las na resolução de problemas analíticos. Nesse caso, quase sempre é necessário encontrar uma equação para a relação entre uma propriedade e composição, desenvolver métodos para registrar uma propriedade (sinal analítico), eliminar a interferência de outros componentes e eliminar a influência interferente de vários fatores (por exemplo, , flutuações de temperatura). O valor do sinal analítico é convertido em unidades que caracterizam a quantidade ou concentração dos componentes. As propriedades medidas podem ser, por exemplo, massa, volume, absorção de luz, intensidade de corrente.
Muita atenção é dada à teoria dos métodos de análise. A teoria dos métodos químicos é baseada em ideias sobre vários tipos básicos reações químicas, amplamente utilizado em análises (ácido-base, redox, complexação), e vários processos importantes (precipitação, dissolução, extração). A atenção a essas questões deve-se à história do desenvolvimento da química analítica e ao significado prático dos métodos correspondentes. Uma vez que, no entanto, a participação dos métodos químicos está diminuindo, enquanto a participação dos métodos físicos, bioquímicos e biológicos está crescendo, é de grande importância melhorar a teoria dos métodos destes últimos grupos e integrar os aspectos teóricos dos métodos individuais. métodos para a teoria geral da química analítica.
A história do desenvolvimento. Testes de materiais foram realizados nos tempos antigos; por exemplo, os minérios foram examinados para determinar sua adequação à fundição, vários produtos - para determinar o conteúdo de ouro e prata neles. Os alquimistas dos séculos 14 e 16 realizaram uma grande quantidade de trabalhos experimentais no estudo das propriedades das substâncias, lançando as bases dos métodos químicos de análise. Nos séculos 16-17 (o período da iatroquímica), novos métodos químicos detecção de substâncias com base em reações em solução (por exemplo, a descoberta de íons de prata pela formação de um precipitado com íons cloreto). R. Boyle, que introduziu o conceito de "análise química", é considerado o fundador da química analítica científica.
Até meados do século XIX, a química analítica era o principal ramo da química. Durante este período, muitos elementos químicos foram descobertos, as partes constituintes de algumas substâncias naturais foram isoladas, as leis de constância de composição e proporções múltiplas, e a lei de conservação de massa foram estabelecidas. O químico e mineralogista sueco T. Bergman desenvolveu um esquema para análise qualitativa sistemática, usou ativamente o sulfeto de hidrogênio como reagente analítico e propôs métodos de análise de chama para obter pérolas. No século 19, a análise qualitativa sistemática foi aprimorada pelos químicos alemães G. Rose e K. Fresenius. O mesmo século foi marcado por grandes sucessos no desenvolvimento da análise quantitativa. Foi criado um método titrimétrico (químico francês F. Decroisille, J. Gay-Lussac), a análise gravimétrica foi significativamente melhorada e foram desenvolvidos métodos de análise de gases. O desenvolvimento de métodos para a análise elementar de compostos orgânicos (Yu. Liebig) foi de grande importância. No final do século XIX, tomou forma uma teoria da química analítica, que se baseava na teoria do equilíbrio químico em soluções com participação de íons (principalmente W. Ostwald). Naquela época, os métodos de análise de íons em soluções aquosas ocupavam o lugar predominante na química analítica.
No século 20, foram desenvolvidos métodos para microanálise de compostos orgânicos (F. Pregl). Foi proposto um método polarográfico (J. Geyrovsky, 1922). Muitos métodos físicos apareceram, por exemplo, espectrometria de massa, raios-X, física nuclear. De grande importância foi a descoberta da cromatografia (M. S. Tsvet, 1903) e a criação opções diferentes este método, em particular cromatografia de partição (A. Martin e R. Sing, 1941).
Na Rússia e na URSS grande importância para química analítica, ele tinha um livro de IA Menshutkin "Analytical Chemistry" (resistiu a 16 edições). M.A. Ilyinsky e L.A. Chugaev introduziram reagentes analíticos orgânicos em prática (final do século 19 - início do século 20), N.A. Tananaev desenvolveu o método da gota de análise qualitativa (simultaneamente com o químico austríaco F. Feigl, década de 1920). Em 1938 N. A. Izmailov e M. S. Schreiber foram os primeiros a descrever a cromatografia em camada fina. Os cientistas russos deram uma grande contribuição ao estudo da formação de complexos e seu uso analítico (I. P. Alimarin, A. K. Babko), à teoria da ação dos reagentes analíticos orgânicos, ao desenvolvimento da espectrometria de massa, métodos de fotometria, espectrometria de absorção atômica ( B. V . Lvov), na química analítica de elementos individuais, especialmente raros e platina, e vários objetos - substâncias de alta pureza, minerais, metais e ligas.
As exigências da prática sempre estimularam o desenvolvimento da química analítica. Assim, nas décadas de 1940 e 1970, em conexão com a necessidade de analisar materiais nucleares, semicondutores e outros de alta pureza, métodos sensíveis como análise de radioativação, espectrometria de massa de faísca e análise química foram criados. análise espectral, voltametria de stripping, fornecendo a determinação de até 10 -7 -10 -8% de impurezas em substâncias puras, ou seja, 1 parte de uma impureza por 10-1000 bilhões de partes da substância principal. Para o desenvolvimento da metalurgia ferrosa, especialmente em conexão com a transição para a produção de aço BOF de alta velocidade, a análise rápida tornou-se decisiva. O uso dos chamados quantômetros - dispositivos fotoelétricos para análise espectral óptica multielementar ou análise de raios X - permite a análise durante a fusão.
A necessidade de analisar misturas complexas de compostos orgânicos levou ao desenvolvimento intensivo da cromatografia gasosa, que permite analisar as misturas mais complexas contendo várias dezenas e até centenas de substâncias. A química analítica contribuiu muito para o domínio da energia do núcleo atômico, o estudo do espaço e do oceano, o desenvolvimento da eletrônica e o progresso das ciências biológicas.
Objeto de estudo. Um papel importante é desempenhado pelo desenvolvimento da teoria de amostragem de materiais analisados; Normalmente, as questões de amostragem são resolvidas em conjunto com especialistas nas substâncias em estudo (por exemplo, com geólogos, metalúrgicos). A química analítica está desenvolvendo métodos de decomposição de amostras - dissolução, fusão, sinterização, etc., que devem proporcionar uma "abertura" completa da amostra e evitar a perda dos componentes determinados e contaminação externa. As tarefas da química analítica incluem o desenvolvimento de técnicas para operações gerais de análise como medição de volume, filtração e calcinação. Uma das tarefas da química analítica é determinar as direções para o desenvolvimento de instrumentação analítica, a criação de novos circuitos e projetos de instrumentos (que na maioria das vezes serve como estágio final no desenvolvimento de um método de análise), bem como a síntese de novos reagentes analíticos.
Para a análise quantitativa, as características metrológicas dos métodos e instrumentos são muito importantes. Nesse sentido, a química analítica estuda os problemas de calibração, fabricação e uso de amostras de referência (incluindo amostras padrão) e outros meios de garantir a exatidão da análise. Um lugar importante é ocupado pelo processamento dos resultados das análises, especialmente o processamento computacional. Para otimizar as condições de análise, são utilizadas a teoria da informação, a teoria do reconhecimento de padrões e outros ramos da matemática. Os computadores são usados não apenas para processar resultados, mas também para controlar instrumentos, contabilizar interferências, calibração e planejamento de experimentos; existem tarefas analíticas que só podem ser resolvidas com a ajuda de computadores, por exemplo, a identificação de moléculas de compostos orgânicos usando sistemas especialistas.
A química analítica define abordagens gerais para a escolha de formas e métodos de análise. Métodos para comparar métodos estão sendo desenvolvidos, as condições para sua intercambialidade e combinações, princípios e formas de automatizar a análise são determinados. Por uso pratico análise, é necessário desenvolver ideias sobre seu resultado como indicador de qualidade do produto, a doutrina do controle expresso dos processos tecnológicos e a criação de métodos econômicos. De grande importância para os analistas que atuam em diversos setores da economia são a unificação e padronização de métodos. Uma teoria está sendo desenvolvida para otimizar a quantidade de informação necessária para resolver problemas analíticos.
Métodos de Análise. Dependendo da massa ou volume da amostra analisada, os métodos de separação e determinação são às vezes divididos em métodos macro, micro e ultramicro.
A separação de misturas é geralmente utilizada nos casos em que a detecção direta ou os métodos de detecção não fornecem o resultado correto devido à influência interferente de outros componentes da amostra. Particularmente importante é a chamada concentração relativa, a separação de pequenas quantidades de componentes do analito de quantidades significativamente maiores dos principais componentes da amostra. A separação de misturas pode ser baseada em diferenças nas características termodinâmicas ou de equilíbrio dos componentes (constantes de troca iônica, constantes de estabilidade de complexos) ou parâmetros cinéticos. Para a separação, são utilizados principalmente cromatografia, extração, precipitação, destilação, bem como métodos eletroquímicos, como eletrodeposição. Métodos de determinação - o principal grupo de métodos de química analítica. Os métodos de análise quantitativa baseiam-se na dependência de qualquer propriedade mensurável, na maioria das vezes física, da composição da amostra. Essa dependência deve ser descrita de maneira certa e conhecida. Métodos híbridos de análise estão se desenvolvendo rapidamente, combinando separação e determinação. Por exemplo, a cromatografia gasosa com vários detectores é o método mais importante para analisar misturas complexas de compostos orgânicos. Para a análise de misturas de compostos não voláteis e termicamente instáveis, a cromatografia líquida de alta eficiência é mais conveniente.
Para análise, uma variedade de métodos são necessários, pois cada um deles tem suas próprias vantagens e limitações. Assim, métodos de radioativação extremamente sensíveis e espectrais de massa requerem equipamentos complexos e caros. Métodos cinéticos simples, acessíveis e muito sensíveis nem sempre proporcionam a reprodutibilidade de resultados desejada. Ao avaliar e comparar métodos, ao escolhê-los para resolver problemas específicos, muitos fatores são levados em consideração: parâmetros metrológicos, escopo de uso possível, disponibilidade de equipamentos, qualificações de analistas, tradições, etc. como limite de detecção ou faixa de concentração (quantidades), em que o método fornece resultados confiáveis, e a precisão do método, ou seja, a exatidão e reprodutibilidade dos resultados. Em vários casos, os métodos "multicomponentes" são de grande importância, o que torna possível determinar um grande número de componentes de uma só vez, por exemplo, emissão atômica e análise espectral de raios X e cromatografia. O papel de tais métodos está crescendo. Ceteris paribus, métodos de análise direta são preferidos, ou seja, não associados à preparação química da amostra; no entanto, essa preparação é muitas vezes necessária. Por exemplo, a pré-concentração do componente de teste permite determinar suas concentrações mais baixas, eliminar as dificuldades associadas à distribuição não homogênea do componente na amostra e à ausência de amostras de referência.
Um lugar especial é ocupado por métodos de análise local. Um papel essencial entre eles é desempenhado pela microanálise espectral de raios X (sonda eletrônica), espectrometria de massa de íons secundários, espectroscopia Auger e outros métodos físicos. São de grande importância, em particular, na análise de camadas superficiais de materiais sólidos ou inclusões em pedras.
Um grupo específico consiste em métodos de análise elementar de compostos orgânicos. A matéria orgânica é decomposta de uma forma ou de outra, e seus componentes na forma dos compostos inorgânicos mais simples (CO 2 , H 2 O, NH 3, etc.) são determinados por métodos convencionais. O uso da cromatografia gasosa possibilitou automatizar a análise elementar; para isso, são produzidos analisadores C-, H-, N-, S- e outros dispositivos automáticos. A análise de compostos orgânicos por grupos funcionais (análise funcional) é realizada por vários métodos químicos, eletroquímicos, espectrais (espectroscopia de RMN ou IR) ou métodos cromatográficos.
Na análise de fases, ou seja, na determinação de compostos químicos que formam fases separadas, estas são primeiramente isoladas, por exemplo, usando um solvente seletivo e, em seguida, as soluções resultantes são analisadas por métodos convencionais; métodos físicos muito promissores de análise de fases sem separação prévia de fases.
Valor prático. A análise química proporciona o controle de muitos processos tecnológicos e a qualidade do produto em diversas indústrias, desempenha um grande papel na busca e exploração de minerais, na indústria de mineração. A pureza é controlada por análise química meio Ambiente(solo, água e ar). Conquistas em química analítica são usadas em vários ramos da ciência e tecnologia: energia nuclear, eletrônica, oceanologia, biologia, medicina, forense, arqueologia e pesquisa espacial. A importância econômica da análise química é grande. Assim, a determinação exata de aditivos de liga em metalurgia permite economizar metais valiosos. A transição para análises automáticas contínuas em laboratórios médicos e agroquímicos permite aumentar drasticamente a velocidade das análises (sangue, urina, extratos de solo etc.) e reduzir o número de funcionários do laboratório.
Lit.: Fundamentos de química analítica: Em 2 livros / Editado por Yu. A. Zolotov. M., 2002; Química analítica: Em 2 volumes M., 2003-2004.
Os engenheiros ambientais devem conhecer a composição química das matérias-primas, produtos e resíduos da produção e o meio ambiente - ar, água e solo; é importante identificar as substâncias nocivas e determinar sua concentração. Este problema está resolvido química Analítica - a ciência da determinação da composição química das substâncias.
Os problemas da química analítica são resolvidos principalmente por métodos físico-químicos de análise, também chamados de instrumentais. Eles usam a medição de alguma propriedade física ou físico-química de uma substância para determinar sua composição. Também inclui seções sobre métodos de separação e purificação de substâncias.
O objetivo deste curso de palestras é familiarizar-se com os princípios dos métodos instrumentais de análise, a fim de navegar em suas capacidades e, com base nisso, definir tarefas específicas para especialistas - químicos e entender o significado dos resultados da análise.
Literatura
Aleskovsky V.B. etc. Métodos físico-químicos de análise. L-d, "Química", 1988
Yu. S. Lyalikov. Métodos físicos e químicos de análise. M., editora "Química", 1974
Vasiliev V.P. Fundamentos teóricos dos métodos físico-químicos de análise. M., pós-graduação, 1979
A.D. Zimon, N.F. Leshchenko. química coloidal. M., "Agar", 2001
A.I. Mishustin, K.F. Belousova. Química coloidal (guia metodológico). Editora MIHM, 1990
Os dois primeiros livros são livros didáticos para estudantes de química e, portanto, são difíceis o suficiente para você. Isso torna essas palestras muito úteis. No entanto, você pode ler capítulos individuais.
Infelizmente, a administração ainda não atribuiu um crédito separado para este curso, então o material está incluído no exame geral, juntamente com o curso de físico-química.
Distinguir entre análise qualitativa e quantitativa. O primeiro determina a presença de certos componentes, o segundo - seu conteúdo quantitativo. Os métodos de análise são divididos em químicos e físico-químicos. Nesta palestra, consideraremos apenas métodos químicos que se baseiam na transformação do analito em compostos com determinadas propriedades.
Na análise qualitativa de compostos inorgânicos, a amostra de teste é transferida para o estado líquido por dissolução em água ou solução ácida ou alcalina, o que possibilita a detecção de elementos na forma de cátions e ânions. Por exemplo, íons Cu 2+ podem ser identificados pela formação de um íon complexo azul brilhante 2+.
A análise qualitativa é dividida em fracionária e sistemática. Análise fracionária - detecção de vários íons em uma mistura com uma composição aproximadamente conhecida.
A análise sistemática é uma análise completa de acordo com um determinado método de detecção sequencial de íons individuais. Grupos separados de íons com propriedades semelhantes são isolados por meio de reagentes de grupo, então grupos de íons são divididos em subgrupos e esses, por sua vez, em íons separados, que são detectados usando os chamados. reações analíticas. São reações com efeito externo - precipitação, evolução de gás, mudança na cor da solução.
Propriedades das reações analíticas - especificidade, seletividade e sensibilidade.
Especificidade permite detectar um determinado íon na presença de outros íons por uma característica (cor, cheiro, etc.). Existem relativamente poucas dessas reações (por exemplo, a reação de detectar o íon NH 4 + pela ação de um álcali sobre uma substância quando aquecida). Quantitativamente, a especificidade da reação é estimada pelo valor da razão limitante, que é igual à razão entre as concentrações do íon a ser determinado e os íons interferentes. Por exemplo, uma reação de queda no íon Ni 2+ pela ação da dimetilglioxima na presença de íons Co 2+ é bem-sucedida em uma razão limitante de Ni 2+ para Co 2+ igual a 1:5000.
Seletividade(ou seletividade) da reação é determinada pelo fato de que apenas alguns íons produzem um efeito externo semelhante. A seletividade é tanto maior quanto menor o número de íons que dão um efeito semelhante.
Sensibilidade as reações são caracterizadas por um limite de detecção ou um limite de diluição. Por exemplo, o limite de detecção em uma reação microcristaloscópica ao íon Ca 2+ pela ação do ácido sulfúrico é 0,04 μg de Ca 2+ em uma gota de solução.
Uma tarefa mais difícil é a análise de compostos orgânicos. Carbono e hidrogênio são determinados após a combustão da amostra, registrando-se o dióxido de carbono e a água liberados. Existem várias técnicas para detectar outros elementos.
Classificação dos métodos de análise por quantidade.
Os componentes são divididos em básicos (1 - 100% em peso), menores (0,01 - 1% em peso) e impureza ou traço (menos de 0,01% em peso).
Dependendo da massa e volume da amostra analisada, distingue-se a macroanálise (0,5 - 1 g ou 20 - 50 ml),
semi-microanálise (0,1 - 0,01 g ou 1,0 - 0,1 ml),
microanálise (10 -3 - 10 -6 g ou 10 -1 - 10 -4 ml),
ultramicroanálise (10 -6 - 10 -9 g, ou 10 -4 - 10 -6 ml),
submicroanálise (10 -9 - 10 -12 g ou 10 -7 - 10 -10 ml).
Classificação de acordo com a natureza das partículas determinadas:
1.isotópico (físico) - os isótopos são determinados
2. elementar ou atômico - um conjunto de elementos químicos é determinado
3. molecular - é determinado o conjunto de moléculas que compõem a amostra
4. grupo estrutural (intermediário entre atômico e molecular) - os grupos funcionais são determinados nas moléculas dos compostos orgânicos.
5. fase - os componentes de objetos heterogêneos (por exemplo, minerais) são analisados.
Outros tipos de classificação de análise:
Bruto e local.
Destrutivo e não destrutivo.
Contato e remoto.
discreto e contínuo.
Características importantes do procedimento analítico são a rapidez do método (velocidade de análise), o custo da análise e a possibilidade de sua automação.
Qualquer método de análise usa um determinado sinal analítico, que, sob determinadas condições, é dado por objetos elementares específicos (átomos, moléculas, íons) que compõem as substâncias em estudo.
Um sinal analítico fornece informações qualitativas e quantitativas. Por exemplo, se reações de precipitação são usadas para análise, a informação qualitativa é obtida a partir do aparecimento ou ausência de um precipitado. A informação quantitativa é obtida a partir do peso do sedimento. Quando uma substância emite luz sob certas condições, a informação qualitativa é obtida pelo aparecimento de um sinal (emissão de luz) em um comprimento de onda correspondente à cor característica, e a informação quantitativa é obtida a partir da intensidade da radiação luminosa.
De acordo com a origem do sinal analítico, os métodos de química analítica podem ser classificados em métodos químicos, físicos e físico-químicos.
NO métodos químicos realizar uma reação química e medir a massa do produto obtido - métodos gravimétricos (peso) ou o volume do reagente usado para interação com a substância - métodos titrimétricos, volumétricos de gás (volumétricos).
A volumemetria do gás (análise volumétrica do gás) baseia-se na absorção seletiva das partes constituintes de uma mistura gasosa em recipientes preenchidos com um ou outro absorvedor, seguida da medição da diminuição do volume do gás usando uma bureta. Assim, o dióxido de carbono é absorvido por uma solução de hidróxido de potássio, oxigênio - por uma solução de pirogalol, monóxido de carbono - por uma solução de amônia de cloreto de cobre. A volumemetria de gás refere-se a métodos expressos de análise. É amplamente utilizado para a determinação de carbonatos em g.p. e minerais.
Os métodos químicos de análise são amplamente utilizados para a análise de minérios, rochas, minerais e outros materiais na determinação de componentes neles com um teor de décimos a várias dezenas de por cento. Os métodos de análise química são caracterizados por alta precisão (o erro de análise é geralmente décimos de um por cento). No entanto, esses métodos estão sendo gradualmente substituídos por métodos físico-químicos e físicos de análise mais rápidos.
Métodos físicos as análises são baseadas na medição de alguma propriedade física das substâncias, que é uma função da composição. Por exemplo, a refratometria é baseada na medição dos índices de refração relativos da luz. Em um ensaio de ativação, a atividade de isótopos, etc. é medida. Muitas vezes, uma reação química é realizada preliminarmente durante o ensaio, e a concentração do produto resultante é determinada por propriedades físicas, por exemplo, pela intensidade de absorção de radiação luminosa pelo produto de reação colorido. Tais métodos de análise são chamados de físico-químicos.
Os métodos físicos de análise são caracterizados por alta produtividade, baixos limites de detecção de elementos, objetividade dos resultados das análises, alto nível automação. Métodos físicos de análise são usados na análise de rochas e minerais. Por exemplo, o método de emissão atômica determina tungstênio em granitos e ardósias, antimônio, estanho e chumbo em rochas e fosfatos; método de absorção atômica - magnésio e silício em silicatos; Fluorescente de raios X - vanádio em ilmenita, magnesita, alumina; espectrometria de massa - manganês no regolito lunar; ativação de nêutrons - ferro, zinco, antimônio, prata, cobalto, selênio e escândio em óleo; método de diluição isotópica - cobalto em rochas silicatadas.
Os métodos físicos e físico-químicos são às vezes chamados de instrumentais, pois exigem o uso de ferramentas (equipamentos) especialmente adaptados para realizar as principais etapas de análise e registrar seus resultados.
Métodos físicos e químicos a análise pode incluir transformações químicas do analito, dissolução da amostra, concentração do componente analisado, mascaramento de substâncias interferentes, entre outros. Ao contrário dos métodos químicos "clássicos" de análise, onde a massa de uma substância ou seu volume serve como um sinal analítico, os métodos físico-químicos de análise usam intensidade de radiação, intensidade da corrente, condutividade elétrica e diferença de potencial como um sinal analítico.
Métodos baseados no estudo de emissão e absorção são de grande importância prática. radiação eletromagnética em diferentes regiões do espectro. Estes incluem espectroscopia (por exemplo, análise luminescente, análise espectral, nefelometria e turbidimetria e outros). Métodos físico-químicos importantes de análise incluem métodos eletroquímicos que usam a medição das propriedades elétricas de uma substância (coulometria, potenciometria, etc.), bem como cromatografia (por exemplo, cromatografia gasosa, cromatografia líquida, cromatografia de troca iônica, cromatografia de camada fina ). Métodos baseados na medição de taxas de reações químicas (métodos cinéticos de análise), efeitos térmicos de reações (titulação termométrica), bem como na separação de íons em um campo magnético (espectrometria de massa) estão sendo desenvolvidos com sucesso.
3. SINAL ANALÍTICO
4.3. MÉTODOS QUÍMICOS
4.8. MÉTODOS TÉRMICOS
6. LISTA DE LITERATURA UTILIZADA
A análise química serve como meio de monitoramento da produção e da qualidade do produto em diversos setores da economia nacional. A exploração mineral é baseada em vários graus nos resultados da análise. A análise é o principal meio de monitoramento da poluição ambiental. Conhecer a composição química dos solos, fertilizantes, rações e produtos agrícolas é importante para o normal funcionamento do complexo agroindustrial. A análise química é indispensável em diagnóstico médico e biotecnologia. O desenvolvimento de muitas ciências depende do nível de análise química, do equipamento do laboratório com métodos, instrumentos e reagentes.
A base científica da análise química é a química analítica, uma ciência que faz parte, e às vezes a parte principal, da química há séculos.
A química analítica é a ciência que determina a composição química das substâncias e, em parte, sua estrutura química. Os métodos da química analítica permitem responder a perguntas sobre em que consiste uma substância, quais componentes estão incluídos em sua composição. Esses métodos geralmente permitem descobrir de que forma um determinado componente está presente em uma substância, por exemplo, para determinar o estado de oxidação de um elemento. Às vezes é possível estimar o arranjo espacial dos componentes.
Ao desenvolver métodos, muitas vezes você precisa emprestar ideias de áreas relacionadas à ciência e adaptá-las aos seus objetivos. A tarefa da química analítica inclui o desenvolvimento dos fundamentos teóricos dos métodos, o estabelecimento dos limites de sua aplicabilidade, a avaliação das características metrológicas e outras, a criação de métodos para a análise de vários objetos.
Métodos e meios de análise estão em constante mudança: novas abordagens são envolvidas, novos princípios e fenômenos são utilizados, muitas vezes de áreas distantes do conhecimento.
O método de análise é entendido como um método bastante universal e teoricamente justificado para determinar a composição, independentemente do componente a ser determinado e do objeto a ser analisado. Quando eles falam sobre o método de análise, eles querem dizer o princípio subjacente, a expressão quantitativa da relação entre a composição e qualquer propriedade medida; técnicas de implementação selecionadas, incluindo detecção e eliminação de interferências; dispositivos para implementação prática e métodos para processar resultados de medição. A metodologia de análise é uma descrição detalhada da análise de um determinado objeto usando o método selecionado.
Existem três funções da química analítica como campo de conhecimento:
1. solução de questões gerais de análise,
2. desenvolvimento de métodos analíticos,
3. solução de problemas específicos de análise.
Também pode ser distinguido qualitativo e quantitativo análises. O primeiro decide a questão de quais componentes o objeto analisado inclui, o segundo fornece informações sobre o conteúdo quantitativo de todos ou componentes individuais.
Todos os métodos existentes de química analítica podem ser divididos em métodos de amostragem, decomposição de amostras, separação de componentes, detecção (identificação) e determinação. Existem métodos híbridos que combinam separação e definição. Os métodos de detecção e definição têm muito em comum.
Os métodos de determinação são da maior importância. Eles podem ser classificados de acordo com a natureza da propriedade medida ou a forma como o sinal correspondente é registrado. Os métodos de determinação são divididos em químico , fisica e biológico. Os métodos químicos são baseados em reações químicas (incluindo eletroquímicas). Isso inclui métodos chamados físico-químicos. Os métodos físicos são baseados em fenômenos e processos físicos, os métodos biológicos são baseados no fenômeno da vida.
Os principais requisitos para os métodos de química analítica são: exatidão e boa reprodutibilidade dos resultados, baixo limite de detecção dos componentes necessários, seletividade, rapidez, facilidade de análise e possibilidade de sua automação.
Ao escolher um método de análise, é necessário conhecer claramente o objetivo da análise, as tarefas que precisam ser resolvidas e avaliar as vantagens e desvantagens dos métodos de análise disponíveis.
3. SINAL ANALÍTICO
Após a seleção e preparação da amostra, inicia-se a etapa de análise química, na qual o componente é detectado ou sua quantidade é determinada. Para isso, eles medem sinal analítico. Na maioria dos métodos, o sinal analítico é a média das medições quantidade física na etapa final da análise, funcionalmente relacionada ao conteúdo do analito.
Se for necessário detectar algum componente, geralmente é corrigido aparência sinal analítico - o aparecimento de um precipitado, cor, linhas no espectro, etc. A aparência de um sinal analítico deve ser registrada de forma confiável. Ao determinar a quantidade de um componente, ela é medida magnitude sinal analítico - massa de sedimento, intensidade da corrente, intensidade da linha do espectro, etc.
4. MÉTODOS DE QUÍMICA ANALÍTICA
4.1. MÉTODOS DE MASCARAMENTO, SEPARAÇÃO E CONCENTRAÇÃO
Mascaramento.
O mascaramento é a inibição ou supressão completa de uma reação química na presença de substâncias que podem mudar sua direção ou velocidade. Neste caso, nenhuma nova fase é formada. Existem dois tipos de mascaramento - termodinâmico (equilíbrio) e cinético (não equilíbrio). No mascaramento termodinâmico, as condições são criadas sob as quais a constante de reação condicional é reduzida a tal ponto que a reação prossegue insignificantemente. A concentração do componente mascarado torna-se insuficiente para fixar de forma confiável o sinal analítico. O mascaramento cinético baseia-se no aumento da diferença entre as taxas de reação do mascarado e do analito com o mesmo reagente.
Separação e concentração.
A necessidade de separação e concentração pode ser devido aos seguintes fatores: a amostra contém componentes que interferem na determinação; a concentração do analito está abaixo do limite de detecção do método; os componentes a serem determinados estão distribuídos de forma desigual na amostra; não há amostras padrão para instrumentos de calibração; a amostra é altamente tóxica, radioativa e cara.
Separação- trata-se de uma operação (processo), pelo qual os componentes que compõem a mistura inicial são separados uns dos outros.
concentração- esta é uma operação (processo), como resultado do qual a razão da concentração ou quantidade de microcomponentes para a concentração ou quantidade do macrocomponente aumenta.
Precipitação e co-precipitação.
A precipitação é geralmente usada para separar substâncias inorgânicas. A precipitação de microcomponentes por reagentes orgânicos, e especialmente sua co-precipitação, fornece um fator de concentração elevado. Esses métodos são usados em combinação com métodos de determinação projetados para obter um sinal analítico de amostras sólidas.
A separação por precipitação é baseada na diferente solubilidade dos compostos, principalmente em soluções aquosas.
A co-precipitação é a distribuição de um microcomponente entre uma solução e um precipitado.
Extração.
A extração é um processo físico-químico de distribuição de uma substância entre duas fases, na maioria das vezes entre dois líquidos imiscíveis. É também um processo de transferência de massa com reações químicas.
Os métodos de extração são adequados para concentração, extração de microcomponentes ou macrocomponentes, isolamento individual e em grupo de componentes na análise de diversos objetos industriais e naturais. O método é simples e rápido de realizar, proporciona alta eficiência de separação e concentração e é compatível com diversos métodos de determinação. A extração permite estudar o estado das substâncias em solução sob várias condições, para determinar as características físico-químicas.
Sorção.
A sorção é bem utilizada para separação e concentração de substâncias. Os métodos de sorção geralmente proporcionam boa seletividade de separação e altos valores de fatores de concentração.
Sorção- o processo de absorção de gases, vapores e substâncias dissolvidas por absorvedores sólidos ou líquidos em um transportador sólido (sorventes).
Separação eletrolítica e cimentação.
O método mais comum de separação eleitoral, no qual a substância separada ou concentrada é isolada em eletrodos sólidos no estado elementar ou na forma de algum tipo de composto. Isolamento eletrolítico (eletrólise) baseado na deposição de uma substância por corrente elétrica em um potencial controlado. A variante mais comum de deposição catódica de metais. O material do eletrodo pode ser carbono, platina, prata, cobre, tungstênio, etc.
eletroforese baseia-se em diferenças nas velocidades de movimento de partículas de diferentes cargas, formas e tamanhos em um campo elétrico. A velocidade do movimento depende da carga, da força do campo e do raio da partícula. Existem dois tipos de eletroforese: frontal (simples) e zona (em um transportador). No primeiro caso, um pequeno volume de uma solução contendo os componentes a serem separados é colocado em um tubo com uma solução eletrolítica. No segundo caso, o movimento ocorre em um meio estabilizador que mantém as partículas no lugar após o desligamento do campo elétrico.
Método rejunte consiste na redução de componentes (geralmente pequenas quantidades) em metais com potenciais suficientemente negativos ou almagamas de metais eletronegativos. Durante a cimentação, ocorrem dois processos simultaneamente: catódico (separação do componente) e anódico (dissolução do metal cimentante).
Métodos de evaporação.
Métodos destilação com base na volatilidade diferente das substâncias. A substância passa de um estado líquido para um estado gasoso e depois se condensa, formando novamente uma fase líquida ou, às vezes, sólida.
Destilação simples (evaporação)– processo de separação e concentração de estágio único. A evaporação remove substâncias que estão na forma de compostos voláteis prontos. Estes podem ser macrocomponentes e microcomponentes, sendo a destilação deste último menos utilizada.
Sublimação (sublimação)- transferência de uma substância do estado sólido para o estado gasoso e sua subsequente precipitação na forma sólida (desviando a fase líquida). A separação por sublimação é geralmente utilizada se os componentes a serem separados são difíceis de fundir ou são difíceis de dissolver.
Cristalização controlada.
Quando uma solução, fundido ou gás é resfriado, formam-se núcleos em fase sólida - cristalização, que pode ser descontrolada (em massa) e controlada. Com a cristalização descontrolada, os cristais surgem espontaneamente em todo o volume. Com a cristalização controlada, o processo é regulado por condições externas (temperatura, direção do movimento de fase, etc.).
Existem dois tipos de cristalização controlada: cristalização direcional(em uma determinada direção) e zona de fusão(movimento de uma zona líquida em um corpo sólido em uma determinada direção).
Com a cristalização direcional, aparece uma interface entre um sólido e um líquido - a frente de cristalização. Existem dois limites na zona de fusão: a frente de cristalização e a frente de fusão.
4.2. MÉTODOS CROMATOGRÁFICOS
A cromatografia é o método analítico mais utilizado. Os métodos cromatográficos mais recentes podem determinar substâncias gasosas, líquidas e sólidas com pesos moleculares de unidades a 10 6 . Estes podem ser isótopos de hidrogênio, íons metálicos, polímeros sintéticos, proteínas, etc. A cromatografia forneceu informações extensas sobre a estrutura e propriedades de muitas classes de compostos orgânicos.
Cromatografia- Este é um método físico-químico de separação de substâncias, baseado na distribuição de componentes entre duas fases - estacionária e móvel. A fase estacionária (estacionária) é geralmente sólido(muitas vezes referido como um sorvente) ou um filme de líquido depositado em um sólido. A fase móvel é um líquido ou gás que flui através da fase estacionária.
O método permite separar uma mistura multicomponente, identificar os componentes e determinar sua composição quantitativa.
Os métodos cromatográficos são classificados de acordo com os seguintes critérios:
a) de acordo com o estado de agregação da mistura, em que é separada em componentes - cromatografia gasosa, líquida e gás-líquida;
b) de acordo com o mecanismo de separação - adsorção, distribuição, troca iônica, sedimentar, redox, cromatografia de adsorção-complexação;
c) de acordo com a forma do processo cromatográfico - coluna, capilar, planar (papel, camada fina e membrana).
4.3. MÉTODOS QUÍMICOS
Os métodos químicos de detecção e determinação são baseados em reações químicas de três tipos: ácido-base, redox e formação de complexos. Às vezes eles são acompanhados por uma mudança estado de agregação componentes. Os mais importantes entre os métodos químicos são o gravimétrico e o titrimétrico. Esses métodos analíticos são chamados de clássicos. Critérios para a adequação de uma reação química como base Método Analítico na maioria dos casos são fluxo completo e alta velocidade.
métodos gravimétricos.
A análise gravimétrica consiste em isolar uma substância em sua forma pura e pesá-la. Na maioria das vezes, esse isolamento é realizado por precipitação. Um componente menos comumente determinado é isolado como um composto volátil (métodos de destilação). Em alguns casos, a gravimetria é a melhor maneira de resolver um problema analítico. Este é um método absoluto (referência).
A desvantagem dos métodos gravimétricos é a duração da determinação, principalmente em análises seriadas de um grande número de amostras, bem como a não seletividade - os reagentes precipitantes, com poucas exceções, raramente são específicos. Portanto, as separações preliminares são muitas vezes necessárias.
A massa é o sinal analítico em gravimetria.
métodos titrimétricos.
O método titrimétrico de análise química quantitativa é um método baseado na medição da quantidade de reagente B gasto na reação com o componente A sendo determinado. Na prática, é mais conveniente adicionar o reagente na forma de uma solução de concentração exatamente conhecida . Nesta versão, a titulação é o processo de adição contínua de uma quantidade controlada de uma solução reagente de concentração exatamente conhecida (titran) a uma solução do componente a ser determinado.
Na titulação, três métodos de titulação são usados: titulação direta, reversa e por substituinte.
titulação direta- trata-se da titulação de uma solução do analito A diretamente com uma solução de titrano B. É usado se a reação entre A e B for rápida.
Titulação reversa consiste em adicionar ao analito A um excesso de uma quantidade precisamente conhecida da solução padrão B e, após a conclusão da reação entre eles, a titulação da quantidade restante de B com uma solução de titrano B'. Este método é usado nos casos em que a reação entre A e B não é rápida o suficiente, ou não existe um indicador adequado para fixar o ponto de equivalência da reação.
Titulação de substituintes consiste na titulação com titulante B não de uma determinada quantidade de substância A, mas de uma quantidade equivalente de substituinte A', resultante de uma reação preliminar entre uma determinada substância A e algum reagente. Este método de titulação é geralmente usado nos casos em que é impossível realizar a titulação direta.
Métodos cinéticos.
Os métodos cinéticos baseiam-se na dependência da velocidade de uma reação química da concentração dos reagentes e, no caso de reações catalíticas, da concentração do catalisador. O sinal analítico em métodos cinéticos é a taxa do processo ou uma quantidade proporcional a ela.
A reação subjacente ao método cinético é chamada de indicador. Uma substância cuja mudança de concentração é usada para julgar a taxa de um processo indicador é indicador.
métodos bioquímicos.
Os métodos bioquímicos ocupam um lugar importante entre os métodos modernos de análise química. Os métodos bioquímicos incluem métodos baseados no uso de processos envolvendo componentes biológicos (enzimas, anticorpos, etc.). Neste caso, o sinal analítico é mais frequentemente velocidade inicial processo, ou a concentração final de um dos produtos da reação, determinada por qualquer método instrumental.
Métodos enzimáticos baseado no uso de reações catalisadas por enzimas - catalisadores biológicos, caracterizadas por alta atividade e seletividade de ação.
Métodos imunoquímicos as análises são baseadas na ligação específica do composto determinado - antígeno pelos anticorpos correspondentes. A reação imunoquímica em solução entre anticorpos e antígenos é um processo complexo que ocorre em várias etapas.
4.4. MÉTODOS ELETROQUÍMICOS
Os métodos eletroquímicos de análise e pesquisa são baseados no estudo e uso de processos que ocorrem na superfície do eletrodo ou no espaço próximo ao eletrodo. Qualquer parâmetro elétrico (potencial, intensidade de corrente, resistência, etc.) que esteja funcionalmente relacionado à concentração da solução analisada e possa ser medido corretamente pode servir como sinal analítico.
Existem métodos eletroquímicos diretos e indiretos. Nos métodos diretos, é utilizada a dependência da intensidade da corrente (potencial, etc.) da concentração do analito. Nos métodos indiretos, a força da corrente (potencial, etc.) é medida para encontrar o ponto final da titulação do analito com um titulante adequado, ou seja, use a dependência do parâmetro medido no volume do titulante.
Para qualquer tipo de medição eletroquímica, é necessário um circuito eletroquímico ou uma célula eletroquímica, cujo componente é a solução analisada.
Existir várias maneiras classificação de métodos eletroquímicos - de muito simples a muito complexos, incluindo a consideração dos detalhes dos processos de eletrodos.
4.5. MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS
Os métodos espectroscópicos de análise incluem métodos físicos baseados na interação da radiação eletromagnética com a matéria. Essa interação leva a várias transições de energia, que são registradas experimentalmente na forma de absorção de radiação, reflexão e espalhamento de radiação eletromagnética.
4.6. MÉTODOS ESPECTROMÉTRICOS DE MASSA
O método de análise espectrométrico de massa baseia-se na ionização de átomos e moléculas da substância emitida e a subsequente separação dos íons resultantes no espaço ou no tempo.
A aplicação mais importante da espectrometria de massa tem sido identificar e estabelecer a estrutura de compostos orgânicos. A análise molecular de misturas complexas de compostos orgânicos deve ser realizada após sua separação cromatográfica.
4.7. MÉTODOS DE ANÁLISE BASEADOS NA RADIOATIVIDADE
Os métodos de análise baseados em radioatividade surgiram na era do desenvolvimento da física nuclear, da radioquímica e da tecnologia atômica, e hoje são utilizados com sucesso em diversas análises, inclusive na indústria e no serviço geológico. Esses métodos são muito numerosos e variados. Quatro grupos principais podem ser distinguidos: análise radioativa; métodos de diluição de isótopos e outros métodos de radiotraçador; métodos baseados na absorção e espalhamento de radiação; métodos puramente radiométricos. O mais difundido método radioativo. Este método surgiu após a descoberta da radioatividade artificial e é baseado na formação de isótopos radioativos do elemento sendo determinado irradiando a amostra com partículas nucleares ou g e registrando a radioatividade artificial obtida durante a ativação.
4.8. MÉTODOS TÉRMICOS
Os métodos de análise térmica baseiam-se na interação da matéria com a energia térmica. Os efeitos térmicos, que são a causa ou efeito de reações químicas, são mais amplamente utilizados em química analítica. Em menor grau, são utilizados métodos baseados na liberação ou absorção de calor como resultado de processos físicos. Estes são processos associados à transição de uma substância de uma modificação para outra, com uma mudança no estado de agregação e outras mudanças na interação intermolecular, por exemplo, ocorrendo durante a dissolução ou diluição. A tabela mostra os métodos mais comuns de análise térmica.
Métodos térmicos são usados com sucesso para a análise de materiais metalúrgicos, minerais, silicatos, bem como polímeros, para a análise de fase de solos e para a determinação do teor de umidade em amostras.
4.9. MÉTODOS BIOLÓGICOS DE ANÁLISE
Os métodos biológicos de análise baseiam-se no fato de que para a atividade vital - crescimento, reprodução e, em geral, o funcionamento normal dos seres vivos, é necessário um ambiente de composição química estritamente definida. Quando esta composição muda, por exemplo, quando um componente é excluído do meio ou um composto adicional (determinado) é introduzido, o corpo, após algum tempo, às vezes quase imediatamente, dá um sinal de resposta apropriado. Estabelecer uma conexão entre a natureza ou intensidade do sinal de resposta do corpo e a quantidade de um componente introduzido no ambiente ou excluído do ambiente serve para detectá-lo e determiná-lo.
Indicadores analíticos em métodos biológicos são vários organismos vivos, seus órgãos e tecidos, funções fisiológicas, etc. Microrganismos, invertebrados, vertebrados, assim como plantas podem atuar como organismos indicadores.
5. CONCLUSÃO
A importância da química analítica é determinada pela necessidade da sociedade pelos resultados analíticos, ao estabelecer a composição qualitativa e quantitativa das substâncias, o nível de desenvolvimento da sociedade, a necessidade social dos resultados da análise, bem como o nível de desenvolvimento da própria química analítica.
Uma citação do livro de N.A. Menshutkin sobre química analítica, 1897: “Tendo apresentado todo o curso de aulas de química analítica na forma de problemas, cuja solução é deixada para o aluno, devemos salientar que para tal solução de problemas , a química analítica dará um caminho estritamente definido. Esta certeza (resolução sistemática de problemas de química analítica) é de grande importância pedagógica, ao mesmo tempo que o aluno aprende a aplicar as propriedades dos compostos à resolução de problemas, derivar condições de reação e combiná-las. Toda essa série de processos mentais pode ser expressa da seguinte forma: a química analítica ensina o pensamento químico. A realização desta última parece ser a mais importante para os estudos práticos em química analítica.
LISTA DE LITERATURA USADA
1. K.M. Olshanova, S.K. Piskareva, K.M. Barashkov "Química Analítica", Moscou, "Química", 1980
2. "Química Analítica. Métodos químicos de análise”, Moscou, “Química”, 1993
3. “Fundamentos de Química Analítica. Livro 1, Moscou, Escola Superior, 1999
4. “Fundamentos de Química Analítica. Livro 2, Moscou, Escola Superior, 1999
