Основы и методы аналитической химии

Человека повсюду окружают предметы, изготовленные их искусственно синтезированных материалов. Каждый из них имеет определенные свойства, обусловленные химическим составом. Его изучением занимается аналитическая химия — наука, которая анализирует вещества с точки зрения их принадлежности к определенным группам.

Аналитическая химия — описание

Перед аналитической химией стоит важная и конкретная задача — выбрать эффективные методы для определения качественного и количественного состава изучаемых веществ. В зависимости от поставленной задачи методы должны отвечать требованиям:

• точность;
• избирательность;
• оперативность;
• аналитическая составляющая;
• чувствительность.

Развитие аналитической химии как науки уходит своими корнями к алхимии, которая появилась благодаря желанию людей выяснить состав окружающих веществ и механизмов их превращения друг в друга. Примитивные методы изучения постепенно ушли в прошлое, передав цель исследований новым, опирающимся на достижения современных наук. Часть анализов сегодня проводится автоматически, для другой части разработаны математические и физические способы.

К существовавшим ранее практическим разработкам добавились теоретические обоснования происходящих реакций. Так появилась физическая химия — наука, открывшая теорию электролитов и их диссоциации, теорию растворов, постулаты химического равновесия и пр.

Задачи химического анализа

Механизм химического анализа направлен на обнаружение в пробе тех или иных элементов, определение их количества и соотношения. От этого зависят химические и физические свойства веществ и предметов, изготовленных из них. Внося соответствующие корректировки в количественный и качественный состав сырья, человек добивается оптимальных параметров и характеристик.

Сегодня ученые занимаются элементным, вещественным, молекулярным анализом, а также изучением веществ на уровне их изотопного состава. В отдельных случаях необходимо проведение структурно-группового изучения. В результате таких методов добиваются полной либо частичной идентификации веществ в исследуемой пробе, выявляют примеси, оказывающие конкретное влияние на проявляемые свойства. В качестве примера можно привести различную чувствительность металлических изделий к коррозии, стойкость к химическим реагентам, снижение барьера прочности.

Анализироваться по химическому составу могут не только смеси металлов. Такой метод изучения применим к атмосферному воздуху, пищевым продуктам, питьевой воде, воде открытых водоемов, грунту, предметам бытовой химии, одежде и пр.

Наличие химических примесей в атмосферном воздухе свидетельствует о некачественной его очистке в результате определенных химических производственных процессов. Содержание некоторых химических элементов в пищевых продуктах (например, соли тяжелых металлов) делает их небезопасными для употребления.

Часто превышает предельно допустимую концентрацию содержание примесей в подземной воде, что является результатом растворения в ней залегающих под землей геологических слоев.

Сделать пользование человеком искусственными и естественными ресурсами безопасным — задача не только экологов, но и специалистов химической промышленности, а также ученых-химиков. Изучать химические реакции с целью познания свойств синтезированных веществ — значит сделать их применение максимально полезным, удобным, безопасным.

Разделы аналитической химии

В понятии «аналитическая химия» выделяют такие разделы, как качественный и количественный анализ. Однако такое деление следует отнести к условному, поскольку необнаруженное вещество может находиться в количествах, ниже того предела, который определяется используемым аппаратом. С другой стороны, практически всегда важно не только знать, какие компоненты включены в состав вещества, но и в какой пропорции. Это влияет на его физические показатели и свойства.

Качественный анализ

Процесс качественного анализа направлен на определение присутствия какого-то компонента в исследуемом образце. Он же включает выяснение формы включения.

Предметом качественного анализа является:

1. Достоверное определение факта присутствия компонентов (на уровне молекул, атомов или ионов).
2. Его идентификация как компонента и определение формы.

Чтобы определить, какое химическое вещество присутствует в изучаемом материале, необходимо собрать сведения о его свойствах. При этом аналитика будет интересовать не только свойства первичного вещества, но и того, которое образовалось в результате проведенных реакций.

Механизм такого анализа включает:

• определение физической формы (это жидкость, газообразное либо твердое вещество);
• органолептические свойства (цвет, запах, вкус и т.п.);
• «поведение» при взаимодействии с определенными реактивами.

Третий компонент является, по сути, химической реакцией, которая может протекать мокрым либо сухим путями.

Мокрый путь обозначает реакцию в растворе, в которой присутствует растворяемое вещество (активное начало) и растворитель. Для качественного анализа (без определения удельного веса компонентов) рассматриваются мокрые реакции, результатом которых есть изменения, заметные с помощью обычных органов чувств (зрение, обоняние, вкус и т.д.). При этом может наблюдаться изменение окраски раствора, выпадение нерастворимого осадка, выделение газообразных веществ.  

Для качественного проведения химической реакции важно соблюсти необходимые условия (температура, наличие тепла, света, присутствие катализатора и пр.). Может отмечаться недостаток времени или объема.

Сухой путь применяется для определения плавкости веществ, способности изменять цветовой характер пламени, летучести, склонности к окислению или восстановлению. Чаще всего используются методы свечения в пламени.

Окислительно-восстановительные свойства изучаются с помощью сплавленной буры. То вещество, которое подвергается сухому анализу, вводится в шарики буры и подвергается нагреванию.

Количественный анализ

Вид анализа, при котором определяются массовые доли, концентрации, удельный вес или другие способы фиксации компонентов в пробе, называется количественным. С практической точки зрения, это более показательный и практически востребованный теоретический материал. Ученые не прекращают изыскивать все новые формы оценки количественных характеристик веществ, чтобы проверить их безопасность и прочность.

Однако, приступая к такой работе, специалист всегда представляет себе набор компонентов, входящих в состав исследуемого вещества, а также способы, позволяющие оценить их количественно.

Раздел количественного анализа работает по двум направлениям: весовому и объемному. Весовой показатель требует выделения нерастворимого осадка и его взвешивания. При необходимости последующие действия производятся с помощью вычисления. Объемный метод состоит в измерении единиц объема.

Химический количественный анализ может основываться и на таких способах, как:

1. Электролитический (с использованием для выделения металлов электролиза).
2. Колориметрический (в основе лежит сравнение окрасок растворов с известной крепостью и искомой).
3. Газовый анализ (используются специальные приборы, например, газовые хроматографы, в которых различные компоненты — газы — по-разному светятся в пламени).
4. Органический (в ходе исследования происходит сжигание органических веществ до углекислого газа и воды, после чего по результатам реакции определяется первоначальное содержание С и Н2.

Выделяют еще один метод — медицинский. Его цель — установить действенный контроль над составом различных органических жидкостей: крови, мочи, мокроты, слюны.

Классификация методов количественного анализа часто предусматривает перекрестные исследования. Так, контрольно-параллельно проводятся исследования пищевых продуктов, питьевой воды, клинические исследования при диагностике болезней. 

Методы элементного анализа

Бывают ситуации, когда целью аналитических химических исследований является определение состава вещества либо компонентов смеси на молекулярном уровне. Тогда изучается характер межмолекулярных связей, результаты воздействия на них различного рода включений. Такой анализ называется элементным. Он применяется для дифференцировки точного состава материальных предметов.

В качестве направлений молекулярного анализа рассматривается структурное исследование — пространственное атомное изучение. В такой работе устанавливаются эмпирические формулы, определяются молекулярные и атомные массы, реже — прочие аналогичные показатели.

В работе практических химиков много внимания уделяется функциональному анализу. Это выделение в строении вещества различных функциональных групп, благодаря которым оно самостоятельно либо в соединении проявляет определенные химические и физические свойства, исполняет возложенные функции.  

Современные методы аналитической химии

Изучение современных методов химического анализа имеет ряд преимуществ. Они оперативные, точные, многопрофильные, имеют специальные контрольные параметры и позволяют сравнивать результат со стандартом.

Кроме того, они имеют отличную воспроизводимость и низкий предел получение положительного результата — обнаружения конкретного компонента.

К востребованным в современном химическом деле относятся виды анализов:

• спектральные;
• электрохимические;
• оптические;
• хроматографические;
• основанные на электрофорезе;
• инструментальные, в основе которых лежит физико-химические реакции и свойства.

Нужна помощь в решении контрольных работ или тестов по химии? Выручит ФениксХелп — быстрая онлайн-помощь для школьников и студентов.