Меню Рубрики

Как применяют медики методы химического анализа

Применение методов химического анализа в медицине. Вопрос: Как применяют методы химического анализа в своей работе криминалисты, археологи, медики и искусствоведы

Физико-химические или инструментальные методы анализа

Физико-химические или инструментальные методы анализа основаны на измерении с помощью приборов (инструментов) физических параметров анализируемой системы, которые возникают или изменяются в ходе выполнения аналитической реакции.

Бурное развитие физико-химических методов анализа было вызвано тем, что классические методы химического анализа (гравиметрия, титриметрия) уже не могли удовлетворять многочисленные запросы химической, фармацевтической, металлургической, полупроводниковой, атомной и других отраслей промышленности, требовавших повышения чувствительности методов до 10-8 – 10-9 %, их селективности и экспрессности, что позволило бы управлять технологическими процессами по данным химического анализа, а также выполнять их в автоматическом режиме и дистанционно.

Ряд современных физико-химических методов анализа позволяют одно­временно в одной и той же пробе выполнять как качественный, так и количественный анализ компонентов. Точность анализа современных физико-химических методов сопоставима с точностью классических методов, а в некоторых, например в кулонометрии, она существенно выше.

К недостаткам некоторых физико-химических методов следует отнести дороговизну используемых приборов, необходимость применения эталонов. Поэтому классические методы анализа по-прежнему не потеряли своего значения и применяются там, где нет ограничений в скорости выполнения анализа и требуется высокая его точность при высоком содержании анализируемого компонента.

Классификация физико-химических методов анализа

В основу классификации физико-химических методов анализа положена природа измеряемого физического параметра анализируемой системы, величина которого является функцией количества вещества. В соответствии с этим все физико-химические методы делятся на три большие группы:

Оптические и спектральные;

Электрохимические методы анализа основаны на измерении электрических параметров: силы тока, напряжения, равновесных электродных потенциалов, электрической проводимости, количе-ства электричества, величины которых пропорциональны содержанию вещества в анализируемом объекте.

Оптические и спектральные методы анализа основаны на измерении параметров, характеризующих эффекты взаимодействия электромагнитного излучения с веществами: интенсивности излучения возбужденных атомов, поглощения монохроматического излучения, показателя преломления света, угла вращения плоскости поляризованного луча света и др.

Все эти параметры являются функцией концентрации вещества в анали­зируемом объекте.

Хроматографические методы — это методы разделения однородных многокомпонентных смесей на отдельные компоненты сорбционными методами в динамических условиях. В этих условиях компоненты распределяются между двумя несмешивающимися фазами: подвижной и неподвижной. Распределение компонентов основано на различии их коэффициентов распределения между подвижной и неподвижной фазами, что при- водит к различным скоростям переноса этих компонентов из неподвижной в подвижную фазу. После разделения количественное содержание каждого из компонентов может быть определено различными методами анализа: классическими или инструментальными.

Молекулярно-абсорбционный спектральный анализ

Молекулярно-абсорбционный спектральный анализ включает в себя спектрофотометрический и фотоколориметрический виды анализа.

Спектрофотометрический анализ основан на определении спектра поглощения или измерении светопоглощения при строго определенной длине волны, которая соответствует максимуму кривой поглощения исследуемого вещества.

Фотоколориметрический анализ базируется на сравнении интенсивности окрасок исследуемого окрашенного и стандартного окрашенного растворов определенной концентрации.

Молекулы вещества обладают определенной внутренней энергией Е, составными частями которой являются:

Энергия движения электронов Еэл находящихся в электростати-ческом поле атомных ядер;

Энергия колебания ядер атомов друг относительно друга Е кол;

Энергия вращения молекулы Е вр

и математически выражается как сумма всех указанных выше энергий:

При этом, если молекула вещества поглощает излучение, то ее первона­чальная энергия Е 0 повышается на величину энергии поглощенного фотона, то есть:

Из приведенного равенства следует, что чем меньше длина волны λ, тем больше частота колебаний и, следовательно, больше Е, то есть энергия, сообщенная молекуле вещества при взаимодействии с электромагнитным излучением. Поэтому характер взаимодействия лучевой энергии с веществом в зависимости от длины волны света λ будет различен.

Совокупность всех частот (длин волн) электромагнитного излучения называют электромагнитным спектром. Интервал длин волн разбивают на области: ультрафиолетовая (УФ) примерно 10-380 нм, видимая 380-750 нм, инфракрасная (ИК) 750-100000 нм.

Энергии, которую сообщают молекуле вещества излучения УФ- и види­мой части спектра, достаточно, чтобы вызвать изменение электронного состояния молекулы.

Энергия ИК-лучей меньше, поэтому ее оказывается достаточно только для того, чтобы вызвать изменение энергии колебательных и вращательных переходов в молекуле вещества. Таким образом, в различных частях спектра можно получить различную информацию о состоянии, свойствах и строении веществ.

Законы поглощения излучения

В основе спектрофотометрических методов анализа лежат два основных закона. Первый из них — закон Бугера – Ламберта, второй закон — закон Бера. Объединенный закон Бугера — Ламберта – Бера имеет следующую формулировку:

Поглощение монохроматического света окрашенным раствором прямо пропорционально концентрации поглощающего свет вещества и толщине слоя раствора, через который он проходит.

Закон Бугера — Ламберта — Бера является основным законом светопоглощения и лежит в основе большинства фотометрических методов анализа. Математически он выражается уравнением:

или

Величину lg I / I называют оптuческой плотностью поглощающего вещества и обозначают буквами D или А. Тогда закон можно записать так:

Отношение интенсивности потока монохроматического излучения, про­шедшего через испытуемый объект, к интенсивности первоначального потока излучения называется прозрачностью, или пропусканием, раствора и обозначается буквой Т: Т = I / I

Это соотношение может быть выражено в процентах. Величина Т, характеризующая пропускание слоя толщиной 1 см, называется коэффициентом пропускания. Оптическая плотность D и пропускание Т связаны между собой соотношением

D и Т являются основными величинами, характеризующими поглощение раствора данного вещества с определенной его концентрацией при определенной длине волны и толщине поглощаю­щего слоя.

Зависимость D(С) имеет прямолинейный характер, а Т(С) или Т(l) — экспоненциальный. Это строго соблюдается только для монохроматических потоков излучений.

Величина коэффициента погашения К зависит от способа выражения концентрации вещества в растворе и толщины поглощающего слоя. Если концентрация выражена в молях на литр, а толщина слоя — в сантиметрах, то он называется молярным коэффициентом погашения, обозначается символом ε и равен оптической плотности раствора с концентрацией 1 моль/л, помещенного в кювету с толщиной слоя 1 см.

Величина молярного коэффициента светопоглощения зависит:

От природы растворенного вещества;

Длины волны монохроматического света;

Причины несоблюдения закона Бyгера — Ламберта — Бера.

1. Закон выведен и справедлив только для монохроматического света, поэтому недостаточная монохроматизация может вызвать отклонение закона и тем в большей степени, чем меньше монохроматизация света.

2. В растворах могут протекать различные процессы, которые изменяют концентрацию поглощающего вещества или его природу: гидролиз, ионизация, гидратация, ассоциация, полимеризация, комплексообразование и др.

3. Светопоглощение растворов существенно зависит от рН раствора. При изменении рН раствора могут изменяться:

Степень ионизации слабого электролита;

Форма существования ионов, что приводит к изменению светопоглощения;

Состав образующихся окрашенных комплексных соединений.

Поэтому закон справедлив для сильно разбавленных растворов, и область его применения ограничена.

Интенсивность окраски растворов можно измерять различными методами. Среди них выделяют субъективные (визуальные) методы колориметрии и объективные, то есть фотоколориметрические.

Визуальными называют такие методы, при которых оценку интенсивности окраски испытуемого раствора делают невооруженным глазом. При объективных методах колориметрического определения для измерения интенсивности окраски испытуемого раствора вместо непосредственного наблюдения пользуются фотоэлементами. Определение в этом случае проводят в специальных приборах — фотоколориметрах, поэтому метод получил название фотоколориметрического.

К визуальным методам относятся:

— метод колориметрического титрования, или дублирования;

Метод стандартных серий. При выполнении анализа методом стандартных серий интенсивность окраски анализируемого окрашенного раствора сравнивают с окрасками серии специально приготовленных стандартных растворов (при одинаковой толщине слоя).

Метод колориметрического титрования (дублирования) основан на сравнении окраски анализируемого раствора с окраской другого раствора — контрольного. Контрольный раствор содержит все компоненты исследуемого раствора, за исключением определяемого вещества, и все использовавшиеся при подготовке пробы реактивы. К нему добавляют из бюретки стандартный раствор определяемого вещества. Когда этого раствора будет добавлено столько, что интенсивности окраски контрольного и анализируемого растворов уравняются, считают, что в анализируемом растворе содержится столько же определяемого вещества, сколько его было введено в контрольный раствор.

Метод уравнивания отличается от описанных выше визуальных колориметрических методов, в которых подобие окрасок стандартного и испытуемого растворов достигается изменением их концентрации. В методе уравнивания подобие окрасок достигается изменением толщины слоев окрашенных растворов. Для этой цели при определении концентрации веществ используют колориметры сливания и погружения.

Достоинства визуальных методов колориметрического анализа:

Техника определения проста, нет необходимости в сложном дорогостоящем оборудовании;

Глаз наблюдателя может оценивать не только интенсивность, но и оттенки окраски растворов.

Необходимо готовить стандартный раствор или серии стандартных растворов;

Невозможно сравнивать интенсивность окраски раствора в присутствии других окрашенных веществ;

При длительном сравнивании интенсивности окраски глаз человека утомляется, и ошибка определения увеличивается;

Глаз человека не столь чувствителен к небольшим изменениям оптической плотности, как фотоэлектрические устройства, вследствие это­го невозможно обнаружить разницу в концентрации примерно до пяти относительных процентов.

Фотоэлектроколориметрия применяется для измерения поглощения света или пропускания окрашенными растворами. Приборы, используемые для этой цели, называются фотоэлектроколориметрами (ФЭК).

Фотоэлектрические методы измерения интенсивности окраски связаны с использованием фотоэлементов. В отличие от приборов, в которых сравнение окрасок производится визуально, в фотоэлектроколориметрах приемником световой энергии является прибор – фотоэлемент. В этом приборе световая энергия преобразует в электрическую. Фотоэлементы позволяют проводить колориметрические определения не только в видимой, но также в УФ- и ИК-областях спектра. Измерение световых потоков с помощью фотоэлектрических фотометров более точно и не зависит от особенностей глаза наблюдателя. Применение фотоэлементов позволяет автоматизировать определение концентрации веществ в химическом контроле технологических процессов. Вследствие этого фотоэлектрическая колориметрия значительно шире используется в практике заводских лабораторий, чем визуальная.

На рис. 1 показан обычный порядок расположения узлов в приборах для измерения пропускания или поглощения растворов.

Рис.1 Основные узлы приборов для измерения поглощения излучения: 1 — источник излучения; 2 — монохроматор; 3 — кюветы для растворов; 4 — преобразователь; 5 — индикатор сигнала.

Фотоколориметры в зависимости от числа используемых при измерениях фотоэлементов делятся на две группы: однолучевые (одноплечие) — приборы с одним фотоэлементом и двухлучевые (двуплечие) — с двумя фотоэлементами.

Точность измерений, получаемая на однолучевых ФЭК, невелика. В заводских и научных лабораториях наиболее широкое распространение получил фотоэлектрические установки, снабженные двумя фотоэлементами. В основу конструкции этих приборов положен принцип уравнивания интенсивности двух световых пучков при помощи переменной щелевой диафрагмы, то есть принцип оптической компенсации двух световых потоков путем изменений раскрытия зрачка диафрагмы.

Принципиальная схема прибора представлена на рис. 2. Свет от лампы накаливания 1 с помощью зеркал 2 разделяется на два параллельных пучка. Эти световые пучки проходят через светофильтры 3, кюветы с растворами 4 и попадают на фотоэлементы 6 и 6″, которые включены на гальванометр 8 по дифференциaльнoй схеме. Щелевая диафрагма 5 изменяет интенсивность светового потока, падающего на фотоэлемент 6. Фотометрический нейтральный клин 7 служит для ослабления светового потока, падающего на фотоэлемент 6″.

Рис.2. Схема двухлучевого фотоэлектроколориметра

Определение концентрации в фотоэлектроколориметрии

Для определения концентрации анализируемых веществ в фотоэлектроколориметрии применяют:

Метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого окрашенных растворов;

Метод определения по среднему значению молярного коэффициента светопоглощения;

Метод градуировочного графика;

Метод сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого окрашенных растворов

Для определения готовят эталонный раствор определяемогo вещества известной концентрации, которая приближается к концентрацииисследуемого раствора. Определяют оптическую плотность этого раствора при определенной длине волны D эт. Затем определяют оптическую плотность исследуемого раствора D х при той же длине волны и при той же толщине слоя. Сравнивая значения оптических плотностей исследуемого и эталонного растворов, находят неизвестную концентрацию определяемого вещества.

Метод сравнения применим при однократных анализах и требует обязательного соблюдения основного закона светопоглощения.

Метод градуировочноro графика. Для определения концентрации вещества этим методом готовят серию из 5-8 стандартных растворов различной концентрации. При выборе интервала концентраций стандартных растворов руководствуются следующими положениями:

* он должен охватывать область возможных измерений концентрации исследуемого раствора;

* оптическая плотность исследуемого раствора должна соответствовать примерно середине градуировочной кривой;

* желательно, чтобы в этом интервале концентраций соблюдался основной закон светопоглощения, то есть график зависимости был прямолинейным;

* величина оптической плотности должна находиться в пределах 0,14… 1,3.

Измеряют оптическую плотность стандартных растворов и строят график зависимости D(С) . Определив D х исследуемого раствора, по градуировочному графику находят С х (рис. 3).

Этот метод позволяет определить концентрацию вещества даже в тех случаях, когда основной закон светопоглощения не соблюдается. В таком случае готовят большое количество стандартных растворов, отличающихся по концентрации не более чем на 10 %.

Рис. 3. Зависимость оптической плотности раствора от концентрации (калибровочная кривая)

Метод добавок — это разновидность метода сравнения, осно-ванный на сравнении оптической плотности исследуемого раствора и того же раствора с добавкой известно количества определяемого вещества.

Применяют его для устранения мешающего влияния посторонних примесей, определения малых количеств анализируемого вещества в присутствии больших количеств посторонних веществ. Метод требует обязательного соблюдения основного закона свето-поглощения.

Это метод фотометрического анализа, в котором определение содержания вещества производят по поглощению им монохроматического света в видимой, УФ- и ИК-областях спектра. В спектрофотометрии, в отличие от фотометрии, монохроматизация обеспечивается не светофильтрами, а монохроматорами, позволяющими непрерывно изменять длину волны. В качестве монохроматоров используют призмы или дифракционные решетки, которые обеспечивают значительно более высокую монохроматичность света, чем светофильтры, поэтому точность спектрофотометрических определений выше.

Спектрофотометрические методы, по сравнению с фотоколориметрическими, позволяют решать более широкий круг задач:

* проводить количественное определение веществ в широком интервал длин волн (185-1100 нм);

* осуществлять количественный анализ многокомпонентных систем (одновременное определение нескольких веществ);

* определять состав и константы устойчивости светопоглощающих комплексных соединений;

* определять фотометрические характеристики светопоглощающих соединений.

В отличие от фотометров монохроматором в спектрофо-тометрах служит призма или дифракционная решетка, позволяя-ющая непрерывно менять длину волны. Существуют приборы для измерений в видимой, УФ- и ИК-областях спектра. Принципи-альная схема спектрофотометра практически не зависит от спектральной области.

Спектрофотометры, как и фотометры, бывают одно- и двулучевые. В двулучевых приборах световой поток каким-либо способом раздваивают или внутри монохроматора, или по выходе из него: один поток затем проходит через испытуемый раствор, другой — через растворитель.

Однолучевые приборы особенно удобны при выполнении количественных определений, основанных на измерении оптической плотности при одной длине волны. В этом случае простота прибора и легкость эксплуатации представляют существенное преимущество. Большая скорость и удобство измерения при работе с двулучевыми приборами полезны в качественном анализе, когда для получения спектра оптическая плотность должна быть измерена в большом интервале длин волн. Кроме того, двулучевое устройство легко приспособить для автоматической записи непрерывно меняющейся оптической плотности: во всех современных регистрирующих спектрофото-метрах для этой цели используют именно двулучевую систему.

И одно-, и двулучевые приборы пригодны для измерений видимого и УФ-излучений. В основе ИК-спектрофотометров, выпускаемых промышленностью, всегда лежит двулучевая схема, поскольку их обычно используют для развертки и записи большой области спектра.

Количественный анализ однокомпонентных систем проводится теми же методами, что и в фотоэлектроколориметрии:

Методом сравнения оптических плотностей стандартного и исследуемого растворов;

Методом определения по среднему значению молярного коэффициента светопоглощения;

Методом градуировочного графика,

и не имеет никаких отличительных особенностей.

Спектрофотометрия в качественном анализе

Качественный анализ в ультрафиолетовой части спектра. Ультрафиолетовые спектры поглощения обычно имеют две-три, иногда пять и более полос поглощения. Для однозначной идентификации исследуемого вещества записывают его спектр поглощения в различных растворителях и сравнивают полученные данные с соответствующими спектрами сходных веществ известного состава. Если спектры поглощения исследуемого вещества в разных paстворителях совпадают со спектром известного вещества, то можно с большой долей вероятности сделать заключение об идентичности химического состава этих соединений. Для идентификации неизвестного вещества по его спектру поглощения необходимо располагать достаточным количеством спектров поглощения органических и неорганических веществ. Существуют атласы, в которых приведены спектры поглощения очень многих, в основном органических веществ. Особенно хорошо изучены ультрафиолетовые спектры аромати-ческих углеводородов.

При идентификации неизвестных соединений следует также обратить внимание на интенсивность поглощения. Очень многие органические соединения обладают полосами поглощения, максимумы которых расположены при одинаковой длине волны λ, но интенсивность их различна. Например, в спектре фенола наблюдается полоса поглощения при λ = 255 нм, для которой молярный коэффициент поглощения при максимуме поглощения ε mах = 1450. При той же длине волны ацетон имеет полосу, для которой ε mах = 17.

Качественный анализ в видимой части спектра. Идентификацию окрашенного вещества, например красителя, также можно проводить, сравнивая его спектр поглощения в видимой части со спектром сходного красителя. Спектры поглощения большинства красителей описаны в специальных атласах и руководствах. По спектру поглощения красителя можно сделать заключение о чистоте красителя, потому что в спектре примесей имеется ряд полос поглощения, которые отсутствуют в спектре красителя. По спектру поглощения смеси красителей можно также сделать заключение о составе смеси, особенно если в спектрах компонентов смеси имеются полосы поглощения, расположенные в разных областях спектра.

Качественный анализ в инфракрасной области спектра

Поглощение ИК-излучения связано с увеличением колебательной и вращательной энергий ковалентной связи, если оно приводит к изменению дипольного момента молекулы. Это значит, что почти все молекулы с ковалентными связями в той или иной мере способны к поглощению в ИК-области.

Инфракрасные спектры многоатомных ковалентных соединений обычно очень сложны: они состоят из множества узких полос поглощения и сильно отличаются от обычных УФ- и видимых спектров. Различия вытекают из природы взаимодействия поглощающих молекул и их окружения. Это взаимодействие (в конденсированных фазах) влияет на электронные переходы в хромофоре, поэтому линии поглощения уширяются и стремятся слиться в широкие полосы поглощения. В ИК -спектре, наоборот, частота и коэффициент поглощения, соответствующие отдельной связи, обычно мало меняются с изменением окружения (в том числе с изменением остальных частей молекулы). Линии тоже расширяются, но не настолько, чтобы слиться в полосу.

Обычно по оси ординат при построении ИК-спектров откладывают пропускание в процентах, а не оптическую плотность. При таком способе построения полосы поглощения выглядят как впадины на кривой, а не как максимумы на УФ-спектрах.

Образование инфракрасных спектров связано с энергией колебаний молекул. Колебания могут быть направлены вдоль валентной связи между атомами молекулы, в таком случае они называются валентными. Различают симметричные валентные колебания, в которых атомы колеблются в одинаковых направлениях, и асиммeтpичныe валентные колебания, в которых атомы колеблются в противоположных направлениях. Если колебания атомов происходят с изменением угла между связями, они называются деформационными. Такое разделение весьма условно, потому что при валентных колебаниях происходит в той или иной степени деформация углов и наоборот. Энергия деформационных колебаний обычно меньше, чем энергия валентных колебаний, и полосы поглощения, обусловленные деформационными колебаниями, располагаются в области более длинных волн.

Колебания всех атомов молекулы обусловливают полосы поглощения, индивидуальные для молекул данного вещества. Но среди этих колебаний можно выделить колебания групп атомов, которые слабо связаны с колебаниями атомов остальной части молекулы. Полосы поглощения, обусловленные такими колебаниями, называют характеристическими полосами. Они наблюдаются, как правило, в спектрах всех молекул, в которых имеются данные группы атомов. Примером характеристических полос могут служить полосы 2960 и 2870 см -1 . Первая полоса обусловлена асимметричными валентными колебаниями связи С-Н в метильной группе СН 3 , а вторая — симметричными валентными колебаниями связи С-Н этой же группы. Такие полосы с небольшим отклонением (±10 см -1) наблюдаются в спектрах всех насыщенных углеводородов и вообще в спектре всех молекул, в которых имеются СН 3 — группы.

Другие функциональные группы могут влиять на положение характеристической полосы, причем разность частот может составлять до ±100 см -1 , но такие случаи немногочисленны, и их можно учитывать на основании литературных данных.

ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ , совокупность методов исследования, употребляемых для определения состава хим. соединений или их смесей. X. а. разделяется на качественный анализ, дающий возможность узнать, какие элементы или группы элементов входят в состав данного тела, и количественный анализ, дающий те весовые соотношения, в к-рых находятся эти элементы. Для достижения своих целей качественный анализ пользуется различными реактивами, т. е. веществами, дающими с определенными элементами или группами элементов либо нерастворимые или летучие соединения (образование осадка или газа) либо характерное окрашивание. По объектам исследования и применяемым методам X. а. разделяется на: 1. Анализ неорганических веществ. 2. Анализ органических веществ. 3. Специальные методы X. а., применяемые в техническом анализе, мед. анализе, фармацевтическом анализе, суд.-мед. анализе, сан.-промышленном анализе, сан.-пищевом анализе и т. п.-К ачественный анализ неорганических веществ, имея дело с солями, к-тами и основаниями, т. е. с соединениями, диссоциирующими в водных растворах на ионы, распадается на открытие положительно заряженных ионов — катионов (металлов) и отрицательно заряженных ионов — анионов (металлоидов, остатков к-т). Систематический ход исследования катионов основан на разделении их по группам по различной растворимости их хлористых, сернистых и углекислых солей. Осадок содер-Фильтрат со-жит IV груп-держит пу:V группу: Са, Sr, BaMg, Na, К * К исследуемому раствору прибавляют соляную к-ту, пока образуется осадок Осадок Фильтрат Содержит I группу Осаждают сероводородом в кислой среде Ag, Hg — , Pb Осадок содержит II группу: Hg», Pb, Bi, Си, Cd, As, Sb, Sn, Au, Pt, Mo, Se, Те Фильтрат освобождают от фосфорной к-ты, сгущают в присутствии азотной, разбавляют водой и в присутствии аммиака осаждают сернистым аммонием Осадок содержит III группу: Fe, Ni, Co, Фильтрат, освободив от серы, осаждают углекислым аммонием в присутствии NH, рытия и разделения групп катионов. Осадок содержит III группу: Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Al, Cr, U, Ti Разделение и открытие металлов I группы. Осадок, выделенный соляной к-той, кипятят в воде и фильтруют горячим Остаток промывают горячей водой и обрабатывают NH 4 OH Остаток содержит Hg*. на что укажет почернение осадка Раствор содержит Ag, выпадающий при подкислении азотной к-той в виде белого осадка Раствор содержит РЬ С раствором К 2 Сг0 4 дает желтый осадок РЬСЮ 4 Разделе ни е и открытие металлов II группы. Осадок, выделенный сероводородом, обрабатывают желтым многосернистым аммонием Остаток Раствор As, Sb, Sn Pb, Hg», Bi, Cd, Cu осаждают НС1, осадок на- обрабатывают азотной гревают с концентрирован- к -той ной НС1 Остаток Раствор Остаток As. Раствор Sb,Sn Hg Pb, Bi,Cu, Cd Обрабатывают | сгущают. NH0 3 . сгуща-1. В часть ра- Прибавляют ют, прибавив створа вносят HJ80 4 , избыток кусоЧек цинка сгущают NH 4 0H, в ушке плати- осаждают новой прово- MgClj.- белый локи-черное Осадок Раствор кристалличес- пятно на пла- Bi, Cu, Cd кий осадок тине, нерастворимое Прибавляют в коиц. НС1, аммиак указывает на Sb. 2. В другой Осадок Bi Раствор Cu, Cd части раствора выделяют Sn при помо- Синий цвет щи металли- указывает на ческого цинка. присутствие Си Серые хлопья растворяют Прибавляют в конц. НС1 и прибавляют HgCl 2 -белый желтый оса- или серый док показы- осадок указы- вает присут- вает на Sn ствие Cd Разделение и открытие металлов IV группы. Осадок, выделенный углекислым аммонием, растворяют в небольшом количестве уксусной к-ты. К полученному раствору, разбавленному водой и нагретому до кипения, прибавляют (NH 4) 2 Cr0 4 до небольшого избытка Осадок BaCrCj. Часть-растворяют в НС1 и испытывают на пламя — желто-зеленый цвет Раствор. Испытывают часть раствора сернокислым кальцием-осадок указывает на присутствие Sr. Удаляют Sr кипячением с избытком разведенной IbS0 4 . Осадок, промытый (NH 4),S04, сжигают с углем, -золу растворяют в НС1 и исследуют в пламени-кармино-крас-ное окрашивание. В фильтрате открывают Са осаждением (NH 4)^Ca0 4 в присутствии аммиака Разделение и открытие металлов V группы. Фильтрат после отделения I, II, III и IV групп выпаривают досуха и слабо прокаливают. Растворяют в разбавленной HCI. Фильтруют и разделяют на две части К первой прибавляют NH 4 C1, NH4OH HNa^HPO, белый кристаллический осадок-Mg Из второй части удаляют Mg кипячением с Ва(ОН) 2 , фильтруют. Осаждают Ва-(NH 4)iC03- При нагревании фильтруют. Фильтрат выпаривают досуха. Остаток исследуют в пламени: желтый цвет-Na. Фиолетовый цвет, видимый через раствор индиго,-К. Растворяют в небольшом количестве воды. К одной части раствора прибавляют пиросурьмянокислого калия K 2 H 2 Sbj07-кристаллический осадок указывает на Na. К другой части прибавляют виннокаменной к-ты С 4 Н в О(!- кристаллическ. осадок указывает на К. Разделение и открытие металлов III группы. Промытый осадок, выделенный сернистым аммонием и аммиаком холодной 2п соляной к-той обрабатывают Остаток Со, Ni. Часть остатка нагревают с бурой. Синий перл указывает на Со. Другую часть растворяют в царской водке, выпаривают досуха, растворяют в воде и, добавив h NaOH, добавляют бромной воды — черный осадок указывает на присутствие Ni Раствор Fe, A1, Сг, Мп, Zn сгущают, добавив HN0 3 , после чего прибавляют избыток NaOH, кипятят и фильтруют Осадок Fe, Cr, Мп растворяют в НС1, кипятят. Добавив NII 4 C1, осаждают возможно малым количеством аммиака Осадок Fe, Сг. Открытие Fe: растворяют в Б С1 и прибавляют K 4 Fe(CN) 6 -TeM-носинее окрашивание. О т к р ы т и е Сг: сплавляют с содой, сплав растворяют в воде, подкисляют уксусной к-той, прибавляют AgN0 3 — красный осадок Раствор Мп. При кипячении с (NH 4)„S осадок телесного цвета- Мп; небольшую часть осадка растворяют в конц. HN0 3 , прибавляют на кончике ножа РЬ0 2 , кипятят и немного разбавляют водой: в случае Мп отстоявшаяся жидкость окрашена в красный цвет Для открытия анионов (остатков к-т) прибегают к специфическим реакциям. Часто открытие определенных металлов уже исключает возможность нахождения нек-рых к-т, напр. в присутствии Ва в растворе не может быть серной к-ты, в присутствии Ag исключаются галоидоводородные к-ты и т. д. Количественный анализ распадается на весовой анализ (см.), объемный анализ (см.) и газовый анализ (см.). Анализ органических веществ подразделяется на: 1) элементарный анализ, т. е. открытие и количественное определение элементов, входящих в исследуемое соединение. Для качественного открытия углерода и водорода вещество сжигают и открывают в продуктах сгорания С0 2 и Н 2 0. Для открытия азота и серы вещество разрушают прокаливанием с металлическим натрием. Азот образует цианистый натрий, открываемый переведением в берлинскую лазурь; сера дает сернистый натрий, дающий с солями свинца черный осадок. Галоиды могут быть открыты восстановлением в галоидоводородные кислоты (амальгамой натрия + вода, натрием + Фильтрат Al, Zn подкисляют HC1 и прибавляют избыток NH 4 OH Осадок А1 Раствор Zn подкисляют уксусной к-той и пропускают H 2 S-белый осадок ZnS 5 спирт), дающие с серебром нерастворимые в азотной к-те осадки. Другие элементы открываются после окисления вещества обычными методами неорганического анализа. Количественное определение С и Н производят по принципу Либиха сжиганием отвешенного количества вещества с окисью меди, поглощением образующихся С0 2 и Н 2 0 и взвешиванием поглотительных приборов. Для определения азота пользуются или методом Дюма, основанным на измерении газообразного азота, получающегося при восстановлении металлической медью окислов азота, образующихся при сжигании вещества в токе С0 2 в присутствии окиси меди, или по Еьельдаля» способу (см.), основанному на переведении азота в аммиак и титровании последнего к-той. 2) Открытие и количественное определение отдельных групп в органическом соединении, как напр. гидроксильной, карбоксильной, альдегидной группы, аминогруппы и т. п. 3) Открытие и количественное определение отдельных соединений на основании характерных реакций или изучения их производных. При наличии небольших количеств исследуемого вещества прибегают к микроанализу, основанному на изучении формы кристаллов под микроскопом и проведении реакций в каплях, нанесенных на фильтровальную бумагу (капельный анализ). При количественном микроанализе используют специальную аппаратуру, позволяющую работать с малыми количествами вещества: микровесы, микробюретки, микропипетки и т. п. Лит.: Бетгер В., Основы качественного анализа, Л., 1932; Меншуткин Н., Аналитическая химия, М.-Д., 1931; СмирновИ. иСтепанов А., Аналитическая химия, качественный анализ, М., 1931; Тана н а е в Н., Капельный метод качественного химического анализа, Л., 1928; ТредвельФ., Курс аналитической химии, т. I-Качественный анализ, т. II-Количественный анализ, М., 1931; В ehre n э- К 1 еу, Mik-rochemische Analyse, Lpz., 1930; Feigl F., Qualitative Analyse mit Hilfe von Tropfelreaktionen, Lpz., 1931; Dubsky, Vereinfachte quantitative Mikroelementarana-lyse organischer Substanzen, Lpz., 1917; Meyer H., Analyse und Кonstitutions-Ermittlung organischer Verbin-dungen, В., 1922; о н ж е, Nachweis und Bestimmung organischer Verbindungen, В., 1933; Pregl F., Die quantitative organische Mikroanalyse, В., 1923; Ro-senthalerL., DerNachweisorganischen Verbindungen, Stuttgart, 1923.А. Кузин.

Читайте также:  Как называется анализ на все болезни

Химический анализ буквально пронизывает всю нашу жизнь. Его методами проводят скрупулезную проверку лекарственных препаратов. В сельском хозяйстве с его помощью определяют кислотность почв и содержание в них питательных веществ, что позволяет подобрать оптимальные условия обработки почвы, также оценивают содержание белка и влаги в разных сортах зерна. Химическому анализу подвергаются и товары широкого потребления: в зубной пасте контролируют содержание фтора, в маслах – содержание ненасыщенных соединений. В природоохранной деятельности методы аналитической химии применяют для контроля качества питьевой воды, для определения содержания вредных веществ в отходах и т.д. В судебной практике с их помощью обнаруживают следы пороха на руках подозреваемого, анализируют состав красок, которыми написана картина, чтобы отличить подлинник от подделки. Методы анализа различаются по степени сложности. Так, в медицине используются экспресс-тесты на беременность и сложные методы анализа крови на содержание сахара или холестерина, контроля уровня нейромедиаторов при исследовании мозга in vivo и пр.

Из приведенных примеров видно, что все вопросы, которые решает аналитическая химия, можно свести к следующим: что представляет собой данное вещество, из каких компонентов оно состоит, каковы их количество и распределение? Чтобы ответить на эти вопросы, проводят самые разнообразные химические реакции, применяют широкий спектр химических, физических, физико-химических, биологических методов, разрабатывают новые методы анализа и совершенствуют уже существующие. Число методов аналитической химии чрезвычайно велико и постоянно растет.

Аналитическая химия тесно связана с другими дисциплинами: химический анализ внедряется в различные области науки, химик-аналитик пользуется достижениями других разделов химии, а также математики, физики, биологии и многих областей техники.

Решение аналитических задач включает несколько стадий.

Эта несущественная на первый взгляд стадия на самом деле очень важна. Предположим, нужно определить количество ртути в водоеме. А что именно подразумевается под словом «ртуть»? Это может быть вся ртуть, независимо от конкретной химической формы, или все органические соединения ртути (например, диметилртуть), или все ее неорганические соединения, или вся ртуть в определенной степени окисления, или идентификация всех ртутьсодержащих соединений и определение их количества. Аналогичным образом обстоит дело и с «водоемом». Следует ли ограничить определение растворенной ртутью или рассмотреть взвешенные в воде твердые частички, ил на дне водоема, обитающих в воде животных и растения? Нужно учесть и продолжительность анализа: достаточно ли единичное определение, или потребуется рассчитать среднюю величину из результатов нескольких измерений, сделанных в течение одного дня, а может быть, и целого года. Ответы на эти вопросы определят характер всего анализа.

Метод анализа выбирают исходя из поставленной задачи, размеров объекта и образца, содержания определяемых веществ, наличия примесей, требуемой точности результатов и имеющегося оборудования; учитывают также возможную продолжительность и стоимость анализа. Рассмотрим, например, два случая определения свинца. В первом – по результатам анализа устанавливают стоимость переработки руды, которая зависит от содержания свинца. Имеется большой образец, концентрация свинца в нем высокая, ответ необходим точный. Во втором случае нужно определить, загрязнен ли свинцом металл, из которого изготовлена старинная монета. Содержание свинца низкое, требуется лишь приблизительная его оценка, в ходе анализа сама монета не должна пострадать. Понятно, что эти случаи требуют разного подхода. Для анализа образца руды можно применить такие методы, как гравиметрия или титрование. Для монеты потребуется другой, щадящий (неразрушающий) метод, например флуоресценция в рентгеновских лучах.

Для разных аналитических методов требуются, конечно, и разные по величине образцы – в количестве от нанограммов (1 нг = 10 –9 г) до нескольких граммов. Вряд ли возможно целиком проанализировать объект, который весит намного больше, чем требует выбранная для анализа методика. В этих случаях отбирают образец, или пробу, вещества. Эта проба должна быть репрезентативной, т.е. адекватной всему объекту или той его части, которая представляет наибольший интерес. В приведенном выше примере со ртутью в водоеме постановка задачи определяет и способ отбора пробы.

Если количественные измерения проводят в растворе, образец растворяют в подходящем растворителе; при этом концентрацию образца подбирают так, чтобы она находилась в пределах применимости метода. Иногда приходится выделять определяемое вещество из смеси, поскольку многие методы анализа неспецифичны и даже неселективны. Специфичным называют метод, при помощи которого определяется только конкретное вещество, а селективным – предпочтительный для данного вещества метод, пользуясь которым можно определять и другие вещества. Специфичных методов очень мало, селективных – значительно больше. Например, высоко-селективны масс-спектрометрия и иммунологический анализ.

Чтобы определить количество анализируемого вещества или его состав, измеряют какую-либо его физическую величину: количество вещества, израсходованного или образовавшегося в результате химической реакции; скорость реакции; интенсивность поглощения, испускания или рассеяния света; ток, возникающий в ходе окислительно-восстановительных процессов; количество выделившегося или поглощенного тепла и т.д. Зная связь между результатами измерений и теми величинами, которые интересуют исследователя, а также сравнив эти результаты с соответствующими стандартами, устанавливают количество определяемого вещества или его состав.

Когда результаты уже получены, может возникнуть ряд вопросов: решена ли поставленная задача? как проводить дальнейшие исследования? Не исключено, что для получения более точных результатов нужно усовершенствовать методику анализа.

Рабочая кривая – это графическая зависимость, связывающая концентрацию определяемого вещества с тем параметром, который измеряется в ходе анализа (оптической плотностью, интенсивностью флуоресценции, электродным потенциалом, скоростью реакции и т.д.). Масштаб координатных осей – линейный или логарифмический – выбирается в зависимости от конкретного эксперимента. Логарифмические оси используют, в частности, при изменении концентрации в широких пределах. Если нужны более точные результаты, предпочтительны линейные оси и узкие интервалы концентрации. Для построения рабочей кривой сначала готовят стандартные образцы известной концентрации. Затем для каждого из них измеряют тот или иной параметр и откладывают его значение в виде точки против соответствующей концентрации. По точкам проводят плавную кривую, на которую точки ложатся наилучшим образом. Для этого используют какую-либо подходящую математическую функцию или эмпирическую зависимость. Затем измеряют тот же параметр для исследуемого образца и по рабочей кривой определяют его концентрацию (рис. 1). У каждого метода есть свои рабочий диапазон, чувствительность, фон, порог обнаружения.

Рабочий диапазон – это диапазон концентраций, в пределах которого применима данная методика. Линейный участок кривой отвечает области концентраций, в которой результаты наиболее надежны. При близких к предельным высоких и низких концентрациях рабочие кривые обычно становятся нелинейными. Это обусловлено ограниченными возможностями используемых методов анализа и оборудования. Если концентрация определяемого вещества попадает в нелинейную область высоких значений, то образец следует разбавить и анализ повторить.

Чувствительность метода характеризуется величиной изменения измеряемого параметра при данном изменении концентрации. Она равна угловому коэффициенту (тангенсу угла наклона) рабочей кривой. Как правило, чем выше чувствительность, тем надежнее результаты и тем ниже порог обнаружения.

Результат измерения часто включает составляющую, не связанную с определяемым веществом, – ее называют фоном. Наличие фона может быть связано с особенностями оборудования или влиянием матрицы, в которую включен образец (см . ниже ). Чтобы оценить величину фона, проводят контрольный опыт. Для этого готовят контрольный образец, в котором нет определяемого вещества, а есть только все посторонние примеси, имеющиеся в матрице, а также реагенты, добавляемые в процессе анализа. Контрольный образец подвергают той же аналитической процедуре, что и определяемое вещество. Значение измеряемого параметра для этого контрольного образца считают равным фону.

Порог обнаружения – это наименьшая концентрация определяемого вещества, при которой сигнал заметно отличается от фона. Величина порога обнаружения зависит от чувствительности и точности метода: чем они выше, тем ниже минимальные определяемые концентрации. Химики-аналитики систематически разрабатывают способы измерения все более низких концентраций. Сегодня для многих методов анализа порог обнаружения составляет 10 –6 –10 –9 М, а некоторые недавно разработанные методы позволяют измерять пикомолярные концентрации (ниже 10 –12 М), обнаруживать вещества в абсолютных количествах менее 10 –18 молей (приблизительно несколько сотен тысяч молекул) и даже наблюдать отдельные атомы . Одна из задач, которые постоянно приходится решать в аналитической химии, – совершенствование методов, позволяющее работать со все более мелкими образцами. Те методы, для которых когда-то требовались миллилитровые количества, теперь обходятся микролитрами, а некоторые – и десятками пиколитров.

Термин «матрица» относится к окружению определяемого вещества. Это все вещества, присутствующие в образце, в т.ч. и определяемые, отличные от данного. Так, хлор определяют в плазме крови, консервированной моркови, питьевой или морской воде. Эти образцы различаются по своим химическим и физическим свойствам, а следовательно, их матрицы тоже различны. Простейшая матрица – питьевая вода: она содержит относительно немного веществ, концентрация которых к тому же невелика. Консервированная морковь – сложная матрица, главным образом потому, что в ней содержатся разные органические соединения.

Стандарты и определяемые при анализе вещества по возможности должны находиться в одинаковых или сравнимых матрицах, однако получить калиброванные матрицы удается очень редко. Чтобы решить эту проблему, используют синтетические матрицы, метод внутреннего стандарта и т.д.

Если матрица данного образца обладает относительно постоянными физическими и химическими свойствами, не зависящими от того, когда и где был получен образец, то ее можно достаточно полно охарактеризовать и воспроизвести. Одна из таких матриц – морская вода. Концентрации ее основных компонентов (Na, Mg, Cl . ) хорошо известны. Можно получить искусственную морскую воду и использовать ее для приготовления стандартных растворов других веществ, концентрация которых невелика (например, Al, Au, Ni, Zn). Состав биологических жидкостей, таких, как плазма крови или моча, также известен, что позволяет создавать искусственные матрицы для проведения определенных анализов.

Другой метод состоит в том, что для стандартов и исследуемого вещества создают матрицы примерно одинакового состава. Для этого к образцу и стандартам добавляют большое количество какого-либо «инертного» вещества (для получения растворов одинаковой ионной силы к образцу и стандартам можно добавить 1 М NaClO 4), так что небольшие различия в других компонентах матрицы становятся несущественными. Влияние матрицы при этом не исключается, напротив, оно усиливается, но теперь это влияние в исследуемом образце и стандарте практически одинаково.

Удобный способ компенсации влияния матрицы, а также решения проблем, связанных с потерями вещества в ходе сложного анализа, – использование внутреннего стандарта. Метод состоит в следующем. Перед тем как определять вещество A, к содержащему его образцу добавляют известное количество вещества B. Количества A и B определяют по одной и той же методике. Установив соотношение между найденным и известным количествами B, корректируют полученное при анализе количество A. Внутренний стандарт должен отсутствовать в исходном образце и представлять собой химический аналог определяемого вещества. Например, для определения натрия в плазме крови методом пламенной эмиссионной спектроскопии в качестве внутреннего стандарта часто используют литий, поскольку он химически аналогичен натрию и в крови обычно отсутствует.

В методе добавленных стандартов для приготовления стандартов сравнения используют сам исследуемый образец. Предположим, что мы хотим определить содержание натрия в плазме крови. Исходный образец делят на несколько частей, например на три. К одной из них ничего не добавляют, к двум другим добавляют известные количества определяемого вещества (в данном случае Na), так что его концентрация становится на 100 и 200 ммоль/л больше, чем в исходном образце. Далее по одной и той же методике определяют Na во всех частях образца и строят график зависимости измеряемой величины от прироста концентрации. Из графика определяют концентрацию натрия в исходном образце.

На рис. 2 графически представлен ход химической реакции

Определяемое вещество + Реагенты Продукты

Вначале концентрация линейно меняется во времени, затем изменение становится все более медленным, и, наконец, концентрация выходит на горизонталь – система достигает равновесия.

Хотя считается, что многие химические реакции идут «до конца» (до полного исчерпания исходных веществ), на самом деле ни одна из них не протекает только в одном направлении. Химическая реакция идет до тех пор, пока концентрация всех участвующих в ней веществ не перестает меняться, т.е. пока система не достигнет равновесия. В этом состоянии концентрация некоторых веществ может быть очень мала, но все же она не равна нулю. Реакция не прекращается, просто скорость прямой реакции (Реагенты → Продукты) становится равной скорости обратной (Продукты → Реагенты), при этом происходит быстрое взаимное превращение реагентов и продуктов реакции, так что никакого суммарного изменения концентраций нет.

Аналитические определения можно проводить в химических системах, находящихся как в равновесном, так и в неравновесном состояниях. В первом случае концентрации веществ не меняются, поэтому продолжительность анализа несущественна и не влияет на выбор методики. Равновесные концентрации веществ связаны друг с другом через константу равновесия. Для химической реакции a A + b B c C + d D эта константа равна

где в квадратных скобках указаны молярные концентрации соответствующих веществ, а показатели степени равны стехиометрическим коэффициентам уравнения химической реакции. Константы равновесия реакций, используемых в аналитической химии, изменяются от 1 до 10 100 и более. Многие методы анализа основаны на определении состояния равновесия. В качестве примера можно привести рассматриваемые ниже классические методы – гравиметрию и титрование.

При анализе неравновесных систем определяют изменение концентрации реагирующих веществ во времени, т.е. скорость реакции. Она задается выражением

где k – константа скорости, [A], [B], [C] – молярные концентрации веществ A, B, C, сумма x , y , z – порядок реакции. Какие именно химические вещества фигурируют в уравнении скорости такой реакции и с какими степенями входят их концентрации, зависит от механизма химической реакции. При неравновесных определениях нужно успеть провести измерения за достаточно малое (по сравнению с продолжительностью самой реакции) время, так чтобы концентрации реагентов не изменились. Определения, основанные на измерении скорости реакции, могут быть выполнены в очень короткое время от начала реакции (иногда несколько секунд), поскольку не нужно ждать, когда система достигнет равновесия. Если определяемое вещество – катализатор, то измерения следует проводить до достижения равновесия, поскольку катализатор изменяет только скорость реакции, но не положение равновесия. Применение кинетических измерений в аналитической химии не ограничивается методами анализа, основанными на измерении скорости реакции. В основе многих аналитических методов, например флуоресцентного анализа, амперометрии, хроматографии, лежат кинетические процессы, хотя анализируются системы, находящиеся в состоянии равновесия. Ниже описаны некоторые распространенные методы анализа.

Читайте также:  Какие анализы можно сдавать после антибиотиков

В аналитической химии есть несколько методов, основанных на определении положения химического равновесия. К ним относятся, в частности, классические гравиметрия и титриметрия, а также сравнительно новый иммунологический анализ.

В гравиметрии определяемое вещество переводят в химически чистое состояние или превращают в весовую форму – соединение с точно известным постоянным составом, которое можно легко выделить и взвесить. Количество анализируемого вещества рассчитывают исходя из массы весовой формы и уравнения реакции, связывающей это вещество с весовой формой. Химические стандарты не требуются. Весовые методы анализа очень точны, их часто используют в сомнительных случаях в качестве контроля. Точность анализа ограничивается точностью определения массы и полнотой образования и выделения чистого вещества. Гравиметрия – продолжительная процедура, поскольку и перевод определяемого вещества в весовую форму, и выделение ее из смеси требуют времени. Кроме того, необходимо убедиться в том, что весовая форма – это вещество точно известного постоянного состава, не содержащее примесей.

Большинство весовых определений основано на образовании и выделении из раствора (как правило, водного) твердых нерастворимых осадков. Задача состоит в том, чтобы осадить по возможности максимальное количество определяемого вещества (по крайней мере, 99,99%), поэтому осадок (чаще всего соль) должен обладать как можно меньшей растворимостью. Растворимость соли определяется величиной константы равновесия реакции растворения, в которой образуются ионы. Количественное осаждение обычно осуществляют, добавляя к раствору с определяемым веществом стехиометрический избыток осаждающего реагента. Растворимость соли в присутствии избытка одного из ионов, входящих в ее состав, снижается. Для уменьшения влияния других равновесных реакций, приводящих к увеличению растворимости соли, необходимо контролировать состав раствора.

Для разных анализируемых веществ применяют разные осаждающие реагенты. Некоторые из них приведены в табл. 1.

Одно из основных преимуществ весовых определений заключается в том, что не нужно калибровать приборы или готовить стандартные растворы. Результат получают, взвесив осадок и зная состав участвующих в реакции соединений. Пусть, например, мы хотим определить содержание марганца в образце. Для этого нужно перевести марганец в Mn 3 O 4 , отделить последний и взвесить. Предположим, что из 1,52 г образца образуется 0,126 г Mn 3 O 4 (т.е. 0,00055 моль, так как 1 моль Mn 3 O 4 содержит 228,8 г). В 1 моль Mn 3 O 4 содержится 3 моль Mn, а в 0,00055 моль – соответственно 0,00165 моль Mn, или 0,0907 г (1 моль Mn содержит 54,94 г). Следовательно, содержание Mn в образце (0,0907/1,52)Ч 100% = 5,97%.

Как мы уже говорили, гравиметрия довольно медленная процедура; образование осадка, его отделение фильтрованием, высушивание – все это требует времени. Кроме того, весовые определения обычно не отличаются высокой селективностью, поэтому дополнительное время уходит на подбор условий (например, pH), переосаждение и т.п. Чем сложнее по составу образец, тем более вероятны ошибки: завышение весового содержания анализируемого вещества, связанное с соосаждением примесей, или занижение, обусловленное потерей вещества на стадии его выделения. Вследствие ограниченных селективности и чувствительности гравиметрию нет смысла применять, когда в наличии имеются лишь микро- или следовые количества определяемого вещества.

В титриметрии концентрацию определяют, измеряя объем стандартного или титрованного реагента (титранта), израсходованного в химической реакции с определяемым веществом в растворе (или газовой фазе). Измерение проводят с помощью процедуры титрования. Это простой, относительно быстрый, универсальный и точный метод.

При титровании титрант добавляют порциями или непрерывно с небольшой постоянной скоростью и измеряют его объем до тех пор, пока не будет достигнута точка эквивалентности, отвечающая объему титранта, при котором в реакцию вступает все определяемое вещество. Точку эквивалентности находят, непрерывно следя за изменением тех или иных свойств титруемого раствора (цвета, оптической плотности, электрохимических свойств и т.д.) при помощи специальных приборов или визуально.

Чтобы данную химическую реакцию можно было использовать в титровании, участвующие в ней вещества должны находиться в строго определенных количественных (стехиометрических) соотношениях. Реакция должна протекать быстро и практически до конца, а точка эквивалентности точно фиксироваться. Чаще всего используют реакции нейтрализации (кислотно-основные), комплексообразования и окислительно-восстановительные. Реакции нейтрализации распространены наиболее широко; именно их мы и рассмотрим для пояснения ключевых моментов всех реакций титрования.

Кривая титрования – это график зависимости pH, оптической плотности или каких-либо других характеристик титруемого раствора (ось ординат) от объема добавленного титранта (ось абсцисс). Масштаб оси абсцисс всегда линейный, а оси ординат может быть линейным или логарифмическим. Линейный масштаб удобен для тех методов контроля за титрованием (спектрофотометрия, амперометрия), в которых контролируемый параметр меняется с концентрацией линейно, а логарифмический – в случае логарифмического изменения (например, при потенциометрии с ионоселективным электродом). Логарифмический масштаб часто используют при визуальном определении конечной точки титрования, поскольку именно в этом масштабе наиболее наглядно проявляется резкое изменение свойств раствора вблизи точки эквивалентности.

Для точного определения конечной точки титрования необходимо, чтобы на кривой титрования вблизи точки эквивалентности наблюдался перегиб (скачок). Это требование устанавливает пределы как для минимальной определяемой концентрации, так и для минимальной константы равновесия, приемлемой для реакции титрования. На рис. 3 представлены кривые титрования сильной кислоты сильным основанием и слабой кислоты сильным основанием. Видно, что при уменьшении концентрации скачок становится менее выраженным. Нижний предел концентрации зависит от конкретной реакции и метода определения конечной точки титрования, но проводить титрование при концентрациях ниже 10 –4 М уже затруднительно. Рисунок 4 иллюстрирует влияние константы равновесия реакции титрования на кривую титрования. Для реакций нейтрализации в водных растворах константа равновесия в случае сильной кислоты и сильного основания составляет 10 14 , а для слабой кислоты и сильного основания – 10 14 K a , где K a – константа диссоциации кислоты. По мере уменьшения константы равновесия уменьшается и величина скачка. Чтобы визуальное определение конечной точки титрования было надежным, константа равновесия не должна быть меньше 10 6 . При инструментальном контроле титрования или расчете положения конечной точки титрования на основании полученных данных константа равновесия может составлять всего 10 2 .

Если в образце содержатся два определяемых вещества, взаимодействующие с одним и тем же титрантом, их можно определить в одной операции титрования при условии, что реакция каждого из этих веществ с титрантом имеет достаточно высокую константу равновесия и что эти константы существенно различаются (как правило, не менее чем на два порядка). На рис. 5 приведены кривые титрования для смесей анализируемых веществ с различными pK a . Первым титруется вещество, реакция которого с титрантом имеет бóльшую константу равновесия. Объем от начала титрования до первой конечной точки позволяет определить концентрацию этого анализируемого вещества, а объем между конечными точками титрования – концентрацию второго анализируемого вещества. Если константы равновесия слишком близки, то локализовать первую конечную точку титрования будет сложно или вообще невозможно. В таком случае анализируемые вещества нельзя определить по отдельности, а суммарный объем титранта позволит рассчитать лишь сумму их концентраций.

Цветной индикатор – вещество, которое меняет свою окраску при взаимодействии с одним из компонентов титруемого раствора. Пусть, например, индикатор In взаимодействует с определяемым веществом A:

Непрерывный контроль процесса титрования с помощью приборов позволяет получить данные о его ходе как до, так и после точки эквивалентности. Эти данные можно представить в виде графика и определять конечную точку графически или путем вычислений. Чаще всего используют спектрофотометрическое (измерение оптической плотности), амперометрическое и потенциометрическое (измерение электродного потенциала) титрование.

Кулонометрическое титрование обычно проводят при постоянном токе. Титрант образуется в результате электрохимических процессов на рабочем электроде в сосуде для титрования. Число молей анализируемого вещества равно произведению силы тока на время, необходимое для образования титранта в количестве, достаточном для достижения конечной точки титрования с учетом стехиометрии. Химические стандарты не требуются. К титрантам, которые образуются в ходе электрохимических процессов, относятся H + , OH – , Br 2 и I 2 .

В простейшем варианте титрования анализируемое вещество взаимодействует непосредственно с титрантом. Количество анализируемого вещества рассчитывают исходя из молярной концентрации титранта, его объема, требуемого для достижения точки эквивалентности, и стехиометрии реакции между определяемым веществом и титрантом. Предположим, что для достижения конечной точки титрования 5,00 мл раствора, содержащего ионы Sn 2+ , потребовалось 12,51 мл 0,100 М раствора Ce(IV). Реакция титрования имеет вид Sn 2+ + 2Ce 4+ ® Sn 4+ + 2Ce 3+ . Количество Ce 4+ , пошедшего на титрование, составляет (12,51Ч 10 –3 л)Ч (0,100 моль/л) = 12,51Ч 10 –4 моль, количество прореагировавшего Sn 2+ в 2 раза меньше, т.е. 6,25Ч 10 –4 моль. Столько Sn 2+ содержится в 5,00 мл раствора, так что его концентрация равна (6,25Ч 10 –4 моль)/(5Ч 10 –3 л) = 0,125 М.

В обратном титровании анализируемое вещество взаимодействует не с титрантом, а с другим реагентом, присутствующим в избытке. Избыток затем определяют титрованием. Если известно исходное количество реагента и определен его избыток, то разность между ними – это количество реагента, пошедшее на реакцию с определяемым веществом. Предположим, что к 5,00 мл образца, содержащего фенол, добавляют 20,00 мл 0,100 М раствора гидроксида натрия. В результате реакции образуется фенолят натрия. Избыток гидроксида натрия титруют 12,53 мл 0,0800 М раствора HCl. Соотношения между реагентами в реакциях гидроксида натрия и фенола или гидроксида натрия и соляной кислоты составляют 1:1. В таком случае исходное количество гидроксида натрия равно (20,00Ч 10 –3 л)Ч (0,100 моль/л) = 20,00Ч 10 –4 моль. Избыток гидроксида натрия равен количеству соляной кислоты, пошедшей на его титрование: (12,53Ч 10 –3 л)Ч (0,0800 моль/л) = 10,00Ч 10 –4 моль. На взаимодействие с анализируемым веществом израсходовано (20,00 – 10,00)Ч 10 –4 моль = 10,00Ч 10 –4 моль гидроксида натрия. Такое же количество фенола содержится в 5,00 мл образца. Следовательно, концентрация фенола составляет (10,00Ч 10 –4 моль)/(5,00Ч 10 –3 л) = 0,200 М.

Обратное титрование используют, например, когда константа равновесия реакции прямого титрования слишком мала. Так, в рассмотренном выше примере фенол – довольно слабая кислота, и константа равновесия прямого титрования фенола гидроксидом натрия составляет величину лишь порядка 10 4 . В то же время константа равновесия реакции обратного титрования между избытком гидроксида натрия (сильное основание) и соляной кислотой (сильная кислота) равна 10 14 . Среди других причин применения обратного титрования – отсутствие подходящего метода индикации или недостаточная скорость реакции при прямом титровании. Так, для прямого комплексонометрического титрования иона металла этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТА) обычно используют металлы-индикаторы. Понятно, что для определения конечных точек титрования всех ионов металлов нужно множество различных индикаторов. При обратном титровании к раствору, содержащему ион металла, добавляют избыточное количество ЭДТА, а избыток последнего затем определяют при помощи раствора, содержащего Mg 2+ . Тогда единственный необходимый индикатор – это индикатор на Mg 2+ , независимо от того, какой ион определяют.

Случаев применения титрования кислот и оснований множество. Чтобы конечная точка титрования определялась наиболее четко, в качестве титрантов применяют сильные кислоты и основания. Типичный кислотный титрант – HCl. Его стандартизуют по первичному стандартному карбонату натрия, используя в качестве индикаторов метиловый красный, метиловый оранжевый или бромкрезоловый зеленый. Типичный основный титрант – NaOH, его стандартизуют по первичному стандартному бифталату калия, используя в качестве индикатора фенолфталеин. Примером кислотно-основного титрования может служить метод определения содержания азота в различных соединениях (метод Кьельдаля): образец разлагают горячей серной кислотой, превращая азот в ион аммония; после охлаждения образец обрабатывают щелочью, чтобы перевести ион аммония в аммиак; аммиак улавливают кислым раствором, после чего избыток кислоты определяют титриметрически при помощи реакции нейтрализации.

Чаще всего комплексонометрическое титрование применяют для определения ионов металлов с использованием ЭДТА в качестве титранта (например, при определении жесткости воды). Образец воды подщелачивают аммиачным буферным раствором, добавляют индикатор эриохром черный и полученный раствор титруют ЭДТА.

Во многих наиболее распространенных реакциях окислительно-восстановительного титрования косвенным участником является иод. Конечная стадия титрования заключается в количественном определении иода при помощи титрования тиосульфатом натрия. В качестве индикатора на иод используют крахмал. Тиосульфат стандартизуют по трииодид-иону (I 3 –), который получается по реакции между KI и первичным стандартом KIO 3 . Таким способом определяют, например, степень ненасыщенности жирных кислот, содержание фенола, многоатомных спиртов (глицерина или этиленгликоля).

Спектроскопические методы основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, т.е. на определении характеристик поглощаемого, испускаемого или рассеянного излучения. Часто параллельно со спектроскопическими методами используют масс-спектрометрию; хотя с ее помощью и не изучают взаимодействие излучения с веществом, результаты измерений обычно представляют в виде спектра.

Электромагнитное излучение характеризуется энергией E , частотой n и длиной волны l , которые связаны между собой соотношением E = hn = hc /l , где h – постоянная Планка (6,63Ч 10 –34 ДжЧ с), c – скорость света (3Ч 10 8 м/с).

Диапазон энергий всего электромагнитного спектра очень широк. В табл. 2 приведены общепринятые названия типов излучения, указаны диапазоны их энергий и длин волн, а также типы переходов.

Таблица 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПЕКТР
Излучение Длина волны Энергия/Частота Переход
Гамма-лучи >100 кэВ Ядерный
Рентгеновские лучи 0,1–20 Å 0,6–120 кэВ Внутренние электроны
Ультрафиолетовое излучение 1–400 нм 3 эВ – 1,2 кэВ Внешние электроны
Видимый свет 400–800 нм 1,5–3 эВ Внешние электроны
Инфракрасный свет 0,8–500 мкм 20–12 500 см –1 Колебания молекул
Микроволновое излучение 1–300 мм 1–300 ГГц Вращение молекул
Радиоволны 0,5–30 м 10–600 МГц Ядерный спин

Методам, чаще всего используемым в аналитической химии, соответствуют ультрафиолетовая (УФ), видимая, инфракрасная (ИК) области и радиоволны.

На рис. 8 представлены блок-схемы устройств для получения спектров поглощения и испускания.

Выбор конкретного оборудования – источника излучения, монохроматора, детектора – зависит от длин волн используемого излучения и характера измерений. В УФ- и видимой областях в качестве источников света обычно используют лампы накаливания или лазеры, монохроматором служит щель или призма, а детектором – фотоэлектронный умножитель и блок фотодиодов.

Спектры поглощения в УФ- и видимой областях содержат как качественную, так и количественную информацию о поглощающем веществе. Последнее и позволяет использовать их в аналитической химии. Поглощение света подчиняется закону Ламберта – Бера

где D – оптическая плотность, I 0 и I – интенсивности падающего и прошедшего через образец света, T – пропускание, e – молярный коэффициент экстинкции, l – длина оптического пути (толщина поглощающего слоя) в см, c – молярная концентрация. Измерив оптическую плотность D , из соотношения D = e cl можно найти концентрацию поглощающего вещества.

Образцы, используемые в абсорбционной спектроскопии в УФ- и видимой областях, – это, как правило, разбавленные растворы. Диапазон концентраций, которые можно определить, зависит от молярного коэффициента экстинкции исследуемого вещества, максимальное значение которого составляет

10 5 (отметим, что измерения следует проводить при длине волны, соответствующей максимуму в спектре поглощения). Для получения достоверных результатов измеряемая оптическая плотность должна находиться в диапазоне 0,01–2. При толщине поглощающего слоя в 1 см это соответствует концентрации 10 –8 М, что в 1000 раз ниже, чем при титровании. Обычно в рабочей области (области линейности) измерений концентрация может изменяться по меньшей мере в 100 раз. Селективно подбирая длину волны, отвечающую максимуму поглощения вещества, можно исключить влияние матрицы (растворителя). Измерения оптической плотности непродолжительны, что позволяет определять с их помощью скорости реакций. Если исследуется смесь нескольких поглощающих веществ, то концентрацию каждого из них определяют, проводя измерения при длинах волн, отвечающих максимумам поглощения этих веществ.

В люминесцентной спектроскопии измеряется интенсивность излучения, испускаемого атомами или молекулами вещества при их переходе из возбужденного состояния в основное (рис. 8). Люминесценция бывает двух типов: флуоресценция и фосфоресценция. При флуоресценции атом или молекула переходит в основное состояние из короткоживущего возбужденного состояния. Она наблюдается почти сразу после поглощения, быстро спадает и исчезает в результате столкновений излучающей молекулы с другими молекулами в растворе (тушение флуоресценции). Фосфоресценция наблюдается при переходе молекулы в основное состояние из относительно долгоживущего возбужденного состояния, так что между поглощением света и испусканием может пройти относительно много времени. Для фосфоресценции характерны бóльшая длина волны излучения, меньшая высота пиков и большее влияние матрицы. Флуоресцентные измерения более избирательны, чем спектрофотометрические, поскольку зависят сразу от двух длин волн: поглощаемого и испускаемого света.

Интенсивность флуоресценции связана с интенсивностью поглощенного света следующим соотношением: I исп = kI погл. Это соотношение линейно относительно концентрации только при малых ее значениях: I исп = kўI погл C . Здесь k и k ў – константы, характеризующие свойства молекулы, связанные с поглощением и испусканием излучения, а C – концентрация определяемого вещества. Флуоресцентный анализ позволяет измерять в 1000 раз меньшие концентрации, чем спектрофотометрический. Это связано с характером сигнала, определяемого в том и другом случаях: во флуоресцентных измерениях нужно зарегистрировать небольшую разницу между двумя слабыми сигналами, а при измерениях поглощения – между сильными, что гораздо сложнее.

Если свет испускается в результате химической реакции, то процесс называют хемилюминесценцией. Интенсивность излучения зависит от скорости химической реакции, а последняя, в свою очередь, от концентрации. Таким образом, измеряя интенсивность хемилюминесценции, можно определить концентрацию соответствующего реагента. В качестве примера люминесцентного определения приведем реакцию с участием люминола. При окислении пероксидом водорода в присутствии комплексов переходных металлов это вещество люминесцирует, что позволяет проводить количественное определение следовых количеств ионов металлов (или некоторых комплексов), а также пероксида водорода.

Спектры поглощения в видимой и УФ-областях, о которых шла речь выше, возникают в результате электронных переходов в атомах и молекулах. Поглощение же в ИК-области обусловлено переходами между колебательными уровнями, отвечающими разной колебательной энергии функциональных групп. В ИК-спектроскопии чаще всего используют среднюю часть ИК-области, 4000–200 см –1 . Для интерпретации ИК-спектров составлены специальные каталоги и таблицы, в которых указаны характеристические частоты колебаний различных групп (табл. 3).

Значения молярных коэффициентов экстинкции для ИК-области меньше, чем для видимой и УФ-областей, поэтому с помощью ИК-спектроскопии можно исследовать или чистые вещества, или очень концентрированные растворы. Жидкости заливают между оптически прозрачными стеклами, где они образуют тонкую пленку, или в кювету, твердые вещества измельчают и суспендируют в оптически прозрачной среде. Растворы исследовать сложнее, чем твердые вещества, поскольку растворитель часто поглощает в этой же области. Чтобы повысить чувствительность и разрешающую способность метода, в современных модификациях используют ИК-спектроскопию с фурье-преобразованием.

Метод ЯМР основан на резонансном поглощении электромагнитной энергии, обусловленном магнетизмом ядер. Это поглощение наблюдается в сильном магнитном поле, под действием которого энергетические уровни ядер, обладающих магнитным моментом, расщепляются. Наложение небольшого по величине и изменяющегося по частоте электромагнитного поля вызывает переходы между уровнями, проявляющиеся в виде линий поглощения в спектрах ЯМР. Метод ЯМР – один из наиболее эффективных методов структурных исследований. Он позволяет получить информацию о строении молекул, о том, какие ядра присутствуют в определяемом веществе и в каком количестве, каково их окружение. Один из вариантов ЯМР – протонный магнитный резонанс (1 H-ЯМР) – часто оказывается единственным методом, позволяющим определить строение органических соединений. Вслед за ним иногда применяют 13 C-ЯМР, масс-спектрометрию и ИК-спектроскопию. Чаще всего методом ЯМР определяют ядра атомов водорода (протоны, 1 H) и 13 C. Можно также изучать другие ядра, например 19 F, 31 P, 17 O, 15 N и 29 Si.

Спектр ЯМР представляет собой зависимость интенсивности поглощения от относительной величины d (химический сдвиг), определяемой как

где H и n – напряженность магнитного поля и резонансная частота для образца и стандарта. Значения d даются в миллионных долях (м.д.; в англоязычной литературе – ppm, parts per million). В качестве стандарта в случае 1 H и 13 C обычно используют тетраметилсилан (ТМС). Наиболее важными характеристиками ЯМР-спектра являются положение сигналов (полос) поглощения, их интенсивность и мультиплетность. Поскольку электроны частично экранируют ядро и изменяют величину действующего на него магнитного поля, положение сигналов поглощения различных ядер (например, протонов) зависит от их электронного окружения. В группах H–N–, H–O– и H–C – протоны поглощают при разных частотах и имеют разный химический сдвиг. Значения измеренных химических сдвигов для большого числа структурных элементов сведены в таблицы. Спин-спиновое взаимодействие протонов соседних атомов приводит к расщеплению сигнала ЯМР, при этом мультиплетность сигнала зависит от числа участвующих во взаимодействии протонов.

Перекрывание и расщепление сигналов существенно усложняют ЯМР-спектры. Для их упрощения используют более сильные магнитные поля, что позволяет растянуть спектр и уменьшить перекрывание пиков.

На рис. 9 приведен ЯМР-спектр диэтилового эфира CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3 , иллюстрирующий представления о химическом сдвиге и расщеплении. Спектр показывает, что в молекуле присутствуют протоны двух видов. Триплет с d = 1,1 м.д. – это сигнал от протонов метильной группы CH 3 –, а квартет с d = 3,3 м.д. – сигнал от протонов метиленовой группы –CH 2 –.

Для получения спектров более высокого разрешения и для ускорения процедуры в ЯМР-спектроскопии используют преобразование Фурье.

Масс-спектрометрия – один из наиболее эффективных и широко применяющихся аналитических методов. Его отличают высокая селективность, чувствительность и точность.

Принцип метода состоит в том, что определяемое вещество переводят в газообразное состояние, ионизируют и образовавшиеся ионы (заряженные фрагменты исходных молекул) разделяют в магнитном поле по величинам отношения массы к заряду. Любой масс-спектрометр состоит из системы напуска образца, ионизационной камеры и системы разделения ионов. В приборе поддерживают высокий вакуум (

10 –6 мм рт.ст.). Методы регистрации отработаны настолько хорошо, что позволяют без труда производить подсчет отдельных ионов.

Читайте также:  Как делается генетический анализ при беременности

Масс-спектр представляет собой зависимость интенсивности сигнала от отношения массы образующихся при ионизации частиц к их заряду (m /e ). Спектр состоит из одного или нескольких пиков. При низкой энергии ионизирующих электронов от молекул вещества отрывается по одному электрону и образуются молекулярные ионы (M +); в этом случае в спектре присутствует единственный пик, и определить мол. массу анализируемого вещества несложно. Если энергия ионизации повышается, то молекулярный ион распадается на более мелкие осколочные ионы, которые могут участвовать затем в реакциях перегруппировки с образованием других ионов. Рассматривая энергетику и механизм этих реакций, можно по масс-спектрам воссоздать структуру исходного соединения. Следовательно, масс-спектр является своего рода «отпечатком» вещества. На рис. 10 представлены масс-спектры 2-метилбутана и 2,2-диметилпропана (неопентана) – насыщенных углеводородов с эмпирической формулой C 5 H 12 . Ионизацию, которая приводит к значительной фрагментации, называют жесткой. В отличие от нее при мягкой ионизации наблюдается значительно меньшая фрагментация, но увеличивается высота пика молекулярного иона. В качестве примера на рис. 11 представлены масс-спектры мефобарбитала (одного из барбитуратов), полученные в результате ионизации электронным ударом, химической ионизации и полевой десорбции.

Выбор способа ионизации зависит от свойств определяемого вещества, матрицы, в которую оно включено, и желаемой степени ионизации. При помощи стандартного оборудования можно ионизировать вещества с мол. массой до 20 000, но есть приборы и для ионизации соединений, мол. масса которых достигает 150 000–200 000.

При ионизации электронным ударом молекулы газообразного вещества бомбардируют потоком электронов, в результате чего образуется множество осколочных ионов. Масс-спектры в этом случае весьма сложны, и для их интерпретации используют специальные каталоги спектров. Один из наиболее распространенных методов мягкой ионизации летучих веществ – химическая ионизация. В этом методе в ионизационной камере поддерживают высокую концентрацию метана, который ионизируется при бомбардировке электронами в первую очередь. Затем ионы метана сталкиваются с молекулами исследуемого вещества, и в результате ион-молекулярных реакций образуются ионы (M + 1) + и (M – 1) + . Для мягкой ионизации жидких образцов используют бомбардировку быстрыми атомами. Поток быстрых атомов ксенона или аргона бомбардирует раствор образца в глицерине, в результате чего образуется большое количество молекулярных ионов. Еще один метод мягкой ионизации – так называемая полевая десорбция; в этом случае ионы образуются под действием сильного электрического поля. Его чаще используют для ионизации неполярных, термически нестабильных веществ, а также соединений с большой мол. массой (полимеров), т.е. в тех случаях, когда нельзя применять бомбардировку быстрыми атомами. Все более широкое распространение получает ионизация распылением (электрораспыление, термораспыление и т.д.). В этом методе ввод растворенного вещества и его ионизация осуществляются в одну стадию.

Для элементного и изотопного анализа применяют индуктивно-связанную аргоновую плазму. С ее помощью осуществляют отбор и ионизацию образца, а в масс-спектрометре проводят разделение ионов. Для элементного анализа поверхностей используют метод масс-спектрометрии вторичных ионов. Потоком ионов Ar + или Xe + бомбардируют поверхность образца, и высвободившиеся вторичные ионы направляют в масс-анализатор.

В этом методе используются два последовательно соединенных масс-спектрометра. Одно из возможных применений метода – анализ смесей. Смесь определяемых веществ подвергают мягкой ионизации, в результате которой из каждого компонента образуется молекулярный ион. Ионы разделяют в первом масс-спектрометре, выполняющем функцию хроматографа. Один из компонентов вводят во второй спектрометр, где проводят его жесткую ионизацию и последующее разделение осколков. Используя каталоги, определяют структуру исходного вещества. Если предметом анализа является не смесь, а единственное вещество, последнее подвергают жесткой ионизации в первом масс-спектрометре, разделяют осколочные ионы и направляют один из них в ионизационную камеру второго прибора. Здесь осколок вновь ионизируют и подвергают последующей фрагментации. Полученный масс-спектр интерпретируют с помощью каталога и устанавливают структуру исходного осколка.

В основе электрохимических методов анализа лежит исследование процессов, протекающих в электролитах или на поверхности погруженных в них электродов. Эти процессы могут быть равновесными или неравновесными в зависимости от условий эксперимента и давать информацию о скорости химических реакций, природе участвующих в них соединений, термодинамике . Наиболее широко в аналитической химии используются следующие электрохимические методы.

В потенциометрических методах измеряется разность потенциалов между индикаторным электродом и электродом сравнения в отсутствие тока в электрохимической цепи. В этих условиях анализируемая система находится в равновесии, и электродный потенциал связан с концентрацией раствора уравнением Нернста:

где E ° – стандартный потенциал окислительно-восстановительной пары ox + n e red, R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура, F – постоянная Фарадея, a – активность. При потенциометрических измерениях широко применяются ионоселективные электроды, чувствительные к какому-то одному иону (водорода, натрия, аммония). Простейший индикаторный электрод – это какой-либо благородный металл, например платина. При потенциометрическом титровании в анализируемый раствор порциями добавляют стандартный раствор реагента (см. выше Титриметрия) и следят за изменением потенциала. Получаемые S -образные кривые позволяют найти точку эквивалентности, константу равновесия, стандартный потенциал.

Во всех вариантах вольтамперометрических методов используют индикаторный микроэлектрод, с помощью которого получают вольтамперограммы – кривые зависимости силы тока в электрохимической ячейке от разности потенциалов. Второй, вспомогательный электрод – неполяризующийся – имеет большую поверхность, так что его потенциал практически не меняется при прохождении тока. Индикаторные электроды изготовляют в виде капилляра, из которого по каплям вытекает жидкий металл (ртуть, амальгама, галлий). Вольтамперограммы позволяют идентифицировать растворенные вещества в электролите, определять их концентрацию, а в некоторых случаях находить термодинамические и кинетические параметры. Первый вольтамперометрический метод – полярография – был предложен Я.Гейровским в 1922. Рабочим электродом в нем служил капающий ртутный электрод. Эту методику обычно применяют для определения ионов металлов (Pb 2+ , Cd 2+ , Cu 2+). Среди других вольтамперометрических методов – вольтамперометрия с линейной разверткой (с монотонным изменением) потенциала, циклическая (с быстрой треугольной разверткой потенциала) вольтамперометрия. С их помощью изучают механизм электродных реакций, определяют малые концентрации веществ в растворе.

В амперометрии потенциал рабочего (индикаторного) электрода поддерживают постоянным и измеряют предельный диффузионный ток в растворе. При амперометрическом титровании точку эквивалентности находят по излому кривой сила тока – объем добавленного рабочего раствора. Хроноамперометрические методы основаны на измерении зависимости силы тока от времени и применяются для определения коэффициентов диффузии и констант скорости. Электрохимические ячейки, работающие по принципу амперометрии, используются в качестве датчиков в жидкостной хроматографии.

Этот метод основан на измерении электропроводности раствора. Условия опыта подбирают таким образом, чтобы преобладающий вклад в измеряемый потенциал ячейки вносило омическое падение напряжения IR (R – сопротивление раствора), а не скачок потенциала на границе раздела электрод/раствор. Электропроводность однокомпонентного раствора можно связать с его концентрацией, а для сложных систем оценивается общее содержание ионов в растворе. Широко используется и кондуктометрическое титрование, когда к анализируемому раствору порциями добавляют известный реагент и следят за изменением электропроводности.

В кулонометрии проводят полный электролиз раствора при контролируемом потенциале и измеряют количество электричества, необходимое для этого. Количество вещества определяют с помощью закона Фарадея P = QM /Fn , где P – масса (г) электрохимически превращенного вещества, Q – количество электричества (Кл), M – молекулярная масса вещества, F – постоянная Фарадея, n – число электронов, вовлеченных в электрохимическое превращение одной молекулы. Кулонометрические методы абсолютны, т.е. не нуждаются в калибровочных кривых. При кулоногравиметрии количество вещества, подвергшегося электролизу, определяют взвешиванием электрода до и после эксперимента.

Обычно анализируемый образец состоит не из одного вещества, а из смеси веществ. Одни из них представляют интерес для исследователя, другие являются примесями, осложняющими анализ. И хотя существуют аналитические методики, позволяющие проводить анализ сложных смесей, всегда легче работать с чистым веществом. Для получения чистых веществ используют разнообразные методы разделения: перегонку, возгонку, экстракцию, диализ, осаждение, комплексообразование. Здесь мы остановимся на хроматографических методах, широко применяющихся как для разделения веществ, так и для их идентификации и количественного определения.

Хроматографическое разделение основывается на различии таких свойств веществ, как летучесть, полярность, размер молекул, заряд и т.д. От них зависит распределение веществ между подвижной и неподвижной фазами, которые присутствуют в каждой хроматографической методике.

Если подвижная фаза – газ, то метод называется газовой хроматографией (ГХ), если жидкость – жидкостной (ЖХ); если неподвижная фаза заполняет тонкую трубку или колонку, то это колоночная хроматография, а если она нанесена на пластину, то тонкослойная (ТСХ). Принципы разделения во всех случаях одинаковы, различаются только приборная реализация и методика. В тонкослойной хроматографии (рис. 12), например, образец наносят вблизи края пластинки с неподвижной фазой и погружают этот край в растворитель так, чтобы последний не доходил до места нанесения образца. Разделение проводят до тех пор, пока растворитель не дойдет до противоположного конца пластинки. Поскольку определяемые вещества движутся медленнее чистого растворителя, все они остаются на пластинке, но находятся на разном расстоянии от места нанесения образца. Скорость движения вещества характеризуется относительной разностью хода R f

Рассмотрим основные механизмы распределения веществ между подвижной и неподвижной фазами на примере колоночной хроматографии.

Неподвижная фаза представляет собой твердое вещество, на активных центрах которого адсорбируются молекулы определяемых веществ. Разделение может быть основано на различиях их полярностей: чем полярнее вещество, тем сильнее оно адсорбируется на неподвижной фазе и дольше задерживается на ней.

Неподвижная фаза представляет собой текучее вещество, нанесенное на твердый носитель или химически связанное с ним. Компоненты смеси, пропускаемой через колонку, разделяются вследствие разной растворимости в неподвижной фазе. Как в газовой, так и в жидкостной распределительной хроматографии используют неподвижные фазы с разной полярностью и другими химическими свойствами, от которых зависит растворимость определяемых веществ. Одна из разновидностей распределительной хроматографии – газожидкостная хроматография (ГЖХ) с жидкой неподвижной фазой и газовой подвижной. На рис. 14 представлена газожидкостная хроматограмма лимонного масла.

Неподвижная фаза представляет собой твердое пористое вещество. Крупные молекулы разделяемой смеси не проникают в поры и, не задерживаясь в неподвижной фазе, увлекаются растворителем. Молекулы среднего размера застревают в некоторых порах и на какое-то время остаются в неподвижной фазе, а мелкие молекулы проникают во все поры и перемещаются очень медленно. Так происходит разделение молекул по размерам, а следовательно, по молекулярной массе. Методом вытеснительной хроматографии можно разделять вещества с мол. массой от 100 до 100 000 000.

Неподвижной фазой является ионит – твердое, практически нерастворимое в воде и органических растворителях вещество, содержащее ионогенные функциональные группы, способные обменивать свои ионы на ионы, присутствующие в подвижной фазе. Для разделения анионов (органических кислот, аминокислот или хлорид-, нитрат-, сульфат-ионов) используются аниониты, содержащие аминогруппу или четвертичный аммоний. В состав катионитов, применяемых для разделения катионов (аминокислот или ионов металлов), входят карбоновые или сульфокислоты.

Многие оптически активные (хиральные) соединения (например, биологические молекулы, лекарственные вещества) обладают весьма ценными свойствами, но эти свойства часто бывают присущи только одному из изомеров. Разделить энантиомеры (зеркальные изомеры) при помощи традиционных хроматографических методов не удается, поскольку они обладают идентичными физическими и химическими свойствами, если не считать способности по-разному вращать плоскость поляризации света и взаимодействовать с другими хиральными соединениями. Последнее свойство и лежит в основе методов разделения энантиомеров. Один из подходов состоит в том, что проводят реакцию между смесью оптически активных определяемых веществ и каким-либо хиральным реагентом. Образующиеся продукты обладают разными физическими свойствами, и их разделяют обычными хроматографическими методами. В другом, более распространенном случае хиральное вещество используют в качестве неподвижной фазы для колоночной ЖХ. Энантиомеры по-разному взаимодействуют с ним и разделяются.

Неподвижная фаза – мелкодисперсный сорбент (обычно силикагель), нанесенный на стеклянную или металлическую пластину. На слой сорбента пипеткой наносят анализируемую смесь и пластину ставят торцом в растворитель. Под действием капиллярных сил растворитель поднимается по пластине, и смесь разделяется на компоненты. Флуоресцирующие вещества выявляют в УФ-свете, все остальные – с помощью специфических реагентов. ТСХ – простой, нетрудоемкий метод. На одной пластинке можно одновременно разделять несколько смесей, а для повышения эффективности проводить двумерную хроматографию.

Одна из основных задач аналитической химии заключается в достижении высокой селективности определений. В некоторых случаях селективность обеспечивается предварительным разделением исследуемых веществ, в других – совместным применением различных методов. Во многих современных системах применяются биологические объекты (ферменты, антитела и рецепторы) и специальные датчики. Датчики состоят из слоя химически активного вещества и физического преобразователя; их обычно используют для селективного измерения концентраций химических веществ. Кроме того, они позволяют проводить дистанционные и непрерывные измерения.

Свойством ферментов, представляющим интерес для аналитической химии, является их способность специфически ускорять те или иные реакции. Ферментативные методы можно применять для анализа как равновесных, так и неравновесных систем, совмещать их с разными методами детектирования: спектрофотометрией, флуоресценцией, хемилюминесценцией, потенциометрией, амперометрией. Все чаще используются иммобилизованные ферменты. Нередко это повышает разрешающую способность метода, а кроме того, позволяет повторно использовать ферменты, применять их в проточных реакторах или биосенсорах. Ферменты включают в мембраны, полимерный гель с поперечными сшивками или адсорбируют на твердой подложке.

Антитела – это вещества, которые вырабатываются в организме позвоночных в ответ на появление в нем антигенов и специфически связываются с этими антигенами. Специфичность связывания определяется структурным соответствием антигена и вырабатываемого антитела. В иммунологических определениях используются меченые антигены. Так, в радиоиммунологическом анализе (РИА) меткой служит радиоактивный изотоп, обычно 125 I. В последнее время стали широко применяться флуоресцентные, хемилюминесцентные, электроактивные метки и ферменты. При помощи иммунологических методов анализируют лекарственные вещества, гормоны (такие, как хорионический гонадотропин, по которому определяют беременность), выявляют возбудителей инфекционных заболеваний.

Наиболее известный электрохимический датчик – это ионоселективный электрод. На принципе ионоселективности работают газовый потенциометрический и ферментный электроды. В них мембрана электрода покрыта слоем химического вещества, который отделен от анализируемого раствора (или газа) второй мембраной, проницаемой для определяемого вещества.

Потенциометрический газовый электрод регистрирует изменение положения равновесия химической реакции, протекающей в слое вещества на мембране электрода. В этой реакции участвует газ, диффундирующий через наружную мембрану. Когда его количество меняется, положение равновесия реакции сдвигается, и этот сдвиг регистрируется электродом. В датчике CO 2 используется водородный электрод, покрытый тонким слоем бикарбоната. CO 2 , проникая через наружную мембрану, сдвигает положение равновесия реакции CO 2 + H 2 O HCO 3 – + H + , и водородный электрод измеряет концентрацию ионов водорода.

В потенциометрических ферментных электродах мембрану электрода покрывают ферментом (например, уреазой в случае определения мочевины). Разработаны потенциометрические датчики для определения аминокислот, пенициллина и других антибиотиков. В качестве ферментсодержащего слоя можно использовать бактерии, интактные растительные и животные ткани.

В амперометрических ферментных электродах чаще всего ферментом является оксидаза и регистрируется либо расходование кислорода, либо образование пероксида водорода. Для контроля за содержанием глюкозы в биологических жидкостях применяются амперометрические датчики на основе глюкозооксидазы.

В таких датчиках специфический реагент наносят на торец оптического волокна – световода. По световоду направляют луч света и регистрируют свет, пришедший от торца с нанесенным образцом. Особенно много датчиков разработано для оптического измерения pH. Все они содержат иммобилизованный реагент, который может существовать в двух или более кислотно-основных формах. Если у этих форм разные спектры поглощения или флуоресценции, то, проводя измерения при разных длинах волн, можно определить их концентрацию и рассчитать pH. В отличие от стеклянного электрода, измеряющего pH в диапазоне от 1 до 14, у оптических датчиков динамический диапазон регистрируемых значений pH охватывает 1–2 единицы по обе стороны от pK a индикатора. В датчиках ионов металлов (Al 3+ , Mg 2+ , Zn 2+ , Cd 2+) используют лиганды, которые начинают сильно флуоресцировать при связывании с этими ионами. Датчики кислорода основаны на кислородном подавлении иммобилизованного флуорофора. Это равновесное определение, менее восприимчивое к колебаниям температуры и скорости потока, чем амперометрические датчики кислорода. Разработаны биосенсоры, основанные на принципах иммунологического анализа. На торец оптических волокон таких датчиков наносят антитела и флуоресцентно меченные антигены.

На чувствительный к изменению массы преобразователь (например, кварцевый пьезоэлектрический осциллятор) наносят селективный адсорбент. Определяемое вещество осаждается на нем, и датчик регистрирует изменение массы. Подобные датчики применяются для определения газообразных и летучих веществ, таких, как CO, CO 2 и SO 2 , ароматических и алифатических углеводородов и пестицидов.

Крешков А.П. Основы аналитической химии , тт. 1–3. М., 1977
Слейбо У., Пергона Т. Общая химия . М., 1979
Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая химия . М., 1981
Глинка Н.Л. Общая химия . Л., 1988

Аналитическая химия и химический анализ

Химическим анализом называют получение информации о составе и структуре веществ, независимо от того, каким именно способом получают такую информацию.

Некоторые способы (методы) анализа основаны на проведении химических реакций со специально добавляемыми реагентами, в других- химические реакции играют вспомогательную роль,третьи –вовсе не связаны с протеканием реакций. Но результатом анализа в любом случае является информация о химическом составе вещества, т. е. о природе и о количественном содержании входящих в него атомов и молекул. Это обстоятельство подчеркивают, используя прилагательное «химический» в словосочетании «химический анализ».

Значение анализа. С помощью химико-аналитических методов были открыты химические элементы, детально исследованысвойства элементов и их соединений, определен состав множества природных веществ. Многочисленные анализы позволили установить основные законы химии (закон постоянства состава, закон сохранения массы веществ, закон эквивалентов и др.), подтвердили атомно-молекулярное учение. Анализ стал средством научного исследования не только в химии, но и в геологии, в биологии, в медицине идругих науках. Значительную часть знаний о природе, которые накопилочеловечество со времен Бойля- оно получило именно путем химического анализа.

Возможности аналитиков резко возросли во второй половине XIX и особенно в XX веке, когда было создано множество физических методов анализа. Они позволяли решать такие задачи, которые не удавалось решить классическими методами. Ярким примером могут быть знания о составе Солнца и звезд, полученные еще в конце XIX века методом спектрального анализа. Столь же ярким примером на рубеже XX и XXI веков стала расшифровка строения одного из генов человека. В этом случае исходная информация была получена методом масс-спектрометрии.

Аналитическая химия как наука

Наука «аналитическая химия» сформировалась в XVIII – XIX веках. Существует множество определений («дефиниций») этой науки. Наиболее кратким и очевидным является следующее: “Аналитическая химия – наука обопределении химического состава веществ .

Можно дать более точное и развернутое определение:

Аналитическая химия — наука, развивающая общую методологию, методы и средства изучения химического состава (а также структуры) веществ и разрабатывающая способы анализа разных объектов.

Объект и направления исследований . Объектом исследования аналитиков-практиков являются конкретные химические вещества

Исследования в области аналитической химии в России преимущественно ведутсяв научно-исследовательских институтах и в университетах. Цели этих исследований:

  • развитие теоретических основ различных методов анализа;
  • создание новых методов и методик, разработка аналитических приборов и реагентов;
  • решение конкретных аналитических проблем, имеющих большое экономическое или социальное значение. Примеры таких проблем: создание способов аналитического контроля для ядерной энергетики и для производства полупроводниковых приборов (эти задачи были успешно решены в 50-70-е годы ХХ века);разработка надежных способов оценки техногенного загрязнения окружающей среды (эта задача решается в настоящее время).

Виды анализа весьма разнообразны. Их можно классифицировать разными способами: по характеру получаемой информации,по объектам анализа иобъектам определения, по требуемой точности и длительности единичного анализа, а также по другим признакам.

Классификацияпо характеру получаемой информации. Различаюткачественный и количественный анализ. В первом случае выясняют, из чего состоит данное вещество, какие именно составные части (компоненты ) входят в его состав. Во втором случае определяют количественное содержание компонентов, выражая его в виде массовой доли, концентрации, молярного соотношения компонентов и т.п.

Классификация по объектам анализа. Каждая область человеческой деятельности имеет традиционные объекты анализа . Так, в промышленности исследуют сырье, готовую продукцию, полупродукты, отходы производства. Объектами агрохимического анализа являются почвы, удобрения, корма, зерно и другая продукция сельского хозяйства. В медицине проводят клинический анализ, его объекты кровь, моча, желудочный сок, различные ткани, выдыхаемый воздух и многое другое. Специалисты правоохранительных органов проводят криминалистический анализ (анализ типографской краски при выявлении подделок документов; анализ наркотиков; анализ осколков, найденных на месте дорожно-транспортного происшествия и т.п.). С учетом природы исследуемых объектов выделяют и другие виды анализа, например, анализ лекарственных препаратов (фармацевтический анализ), природных и сточных вод (гидрохимический анализ), анализ нефтепродуктов, стройматериалов и др.

Классификация по объектам определения. Не следует путать похожие термины —анализировать и определять. Это не синонимы! Так, если нас интересует, есть ли железо вкрови человека и каково его процентное содержание — то кровь является объектом анализа , а железо — объектом определения. Конечно, и железо может стать объектом анализа — если определять в куске железа примеси других элементов. Объектами определения называют те компоненты исследуемого материала, количественное содержание которых требуется установить. Объекты определения не менее разнообразны, чем объекты анализа. С учетом природы определяемого компонента выделяют разные виды анализа (табл.1.). Как видно из этой таблицы, сами объектыобнаружения или определения (их еще называют аналитами ) принадлежат к разным уровням структурирования материи (изотопы, атомы, ионы, молекулы, группы молекул родственной структуры, фазы).

Классификация видов анализа по объектам определения или обнаружения

Объект определения илиобнаружения (аналит )

источник