Инструментальные методы анализа, их классификация (стр. 1 )

Инструментальные методы анализа, их классификация.

Общая характеристика оптических методов анализа.

План.

1.  Особенности и области применения физико-химических методов анализа.

2.  Чувствительность и селективность, правильность и воспроизводимость инструментальных методов анализа.

3.  Основные приемы физико-химических методов анализа.

4.  Многоволновая спектрофотометрия.

5.  Дифференциальная спектрофотометрия.

6.  Экстракционно-фотометрический анализ.

7.  Фотометрическое титрование.

1. Особенности и области применения физико-химических методов анализа.

Все методы анализа базируются на использовании зависимости физико-химического свойства вещества, которое называется аналитическим сигналом или просто сигналом, от природы вещества и его содержания в анализируемой пробе. В классических методах анализа в качестве такого свойства используется либо масса осадка – гравиметрический анализ, либо объем реактива, использованного на реакцию – титриметрический анализ. Однако химические методы не в состоянии были удовлетворить разнообразные запросы практики, которые особенно возросли как результат НТП и развития новых областей науки, техники, промышленности. Развитие всех областей и сферы жизни поставило перед аналитической химией задачи:

1. снизить границу определения до 10-5-10-10 %. Только при содержании так называемых “запрещенных” примесей не выше 10-5 % жароустойчивые сплавы сохраняют свои свойства. Приблизительно такое же содержание примеси гафния допускается в цирконии при использовании его в качестве конструкционного материала ядерной техники. (Сначала Zr был по ошибке забракован как конструкционный материал этой области именно из-за загрязнения гафнием). Еще меньше содержание (до 10-10 %) загрязнений допускается в материалах полупроводниковой промышленности (Si, Ge и др.). Существенным образом изменяются свойства металлов, содержание примесей, в которых находится на уровне 10-5 % и меньше. Например, хром и бериллий становятся ковкими и тягучими, вольфрам и цирконий становятся пластическими, а не хрупкими. Определение таких маленьких содержаний гравиметрическим или титриметрическим методом практически не возможно, и только применение физико-химических методов анализа, владеющих значительно более низкой границей определения, разрешает решение этих аналитических задач.

Второй важной особенностью физико-химических методов анализа является их экспресность, высокий темп получения результатов. Современные автоматические квантометры разрешают получить результаты буквально через несколько минут после получения пробы в лабораторию. Современная информация о составе сырья, о степени химической переработки и т. д. дает возможность технологу активно вмешиваться в ход технологического процесса и вводить необходимые коррективы. Существенное значение имеет экспресность анализа и в металлургическом производстве, где корректировать состав стали можно по ходу выплавки в зависимости от результатов анализа. Сокращение времени плавки, которое нередко зависит от скорости выполнения анализа, дает большой экономический эффект, снижая энергетические и прочие затраты.

Физико-химические методы разрешают проводить анализ на расстоянии. Ярким примером является анализ почвы луны, выполненный рентгенфлуоресцентным устройством непосредственно на Луне, определение состава атмосферы, окружающей планету Венера. Важное практическое значение имеет дистанционный анализ в земных условиях, например, когда анализируются препараты высокой радиоактивности, токсичности, а также при анализе морских вод на больших глубинах.

Устройства, применяемые в физико-химических методах анализа (ФХМА), разрешают автоматизировать сам процесс анализа или отдельные его стадии. Автоматические газоанализаторы контролируют состав воздуха в шахтах. В значительной мере автоматизированный газовый хроматографический анализ в нефтехимической, коксохимической и др. областях промышленности.

Анализ с помощью некоторых ФХМА может быть выполнен без разрушения анализируемого образца (недеструктивный анализ), что имеет большое значение для некоторых областей промышленности, а также, для криминалистики, медицины и т. д. Недеструктивный анализ может быть выполнен рентгенофлуоресцентным, радиоактивационным и другими методами.

Часто практический интерес представляет не общее содержание какого-нибудь элемента в пробе, а его распределение по поверхности образца – так называемый локальный анализ – определение элемента в данной “точке” образца. Этот анализ имеет значение в металловедении и других областях, где состав отдельных включений определяет качество материала, а также в минералогии, петрографии, криминалистике, археологии и др. Выполняется локальный анализ рентгеноспектральным методом. Электроны собирают в очень тонкий луч диаметром 1 мкм и меньше (электронный зонд) и направляют его в то место образца, локальный анализ которого необходимо выполнить. По характеристикам рентгеновского излучения говорят о содержание элементов в “точке”. С целью выполнения локального анализа применяется также техника лазерной микроспектроскопии.

Ошибка анализа физико-химическими методами составляет в среднем 2-5 %, что превышает ошибку классических методов анализа (гравиметрический 0,01-0,005 %, титриметрический 0,1-0,05 %). Однако такое сравнение ошибок в целом не очень корректное, так как относится к разным концентрационным областям. При небольшом содержании определяемого компонента классические химические методы анализа не пригодны, при высоких концентрациях физико-химические методы успешно конкурируют с химическими, а такие методы как кулонометрия, электрогравиметрия, даже превышают их по точности.

Следует отметить также, что ошибка анализа физико-химическими методами имеет тенденцию снижаться за счет конструирования прецизионных аналитических приборов и разработки более совершенных аналитических методик.

Однако химические методы анализа своего значения не утратили, они незаменимы там, где при высоком содержании необходима высокая точность и нет серьезных ограничений во времени (например, анализ готовой продукции, арбитражный анализ, изготовление эталонов).

Существенным недостатком большинства ФХМА является то, что для их практического применения необходимы эталоны, стандартные растворы и градуировочные графики.

Задачей аналитической химии является определение содержания тех или иных веществ в исследуемой системе наиболее быстрыми, точными и рациональными методами. В зависимости от поставленной задачи используется реакция, которая либо только определяет их присутствие, либо же разрешает определить их количество в системе. В первом случае мы имеем дело с качественным, а во второй – с количественным анализом.

Все используемые сегодня методы количественного анализа можно, в общем, разделить на химические, физико-химические, физические методы.

Химические методы анализа базируются на химических свойствах веществ, на непосредственных результатах их способности принимать участие в какой-нибудь специфической химической реакции.

Физико-химические методы анализа базируются на взаимосвязи между составом системы и ее физическими и физико-химическими свойствами. Решение аналитической задачи физико-химическими методами обычно разбивается на следующие этапы:

1.  Приготовление стандартных растворов (систем), отличающихся один от другого только содержанием определяемого вещества.

2.  Количественная оценка (измерение величины) некоторого свойства системы для каждого из стандартных растворов.

3.  Графическое выражение установленной зависимости (построение калибровального графика) в координатах: концентрация определяемого вещества (по оси абсцисс) – числовое значение данного свойства (по оси ординат).

4.  Измерение выбранного свойства для исследуемого раствора и определение его концентрации по калибровальному графику.

Функциональная зависимость между численным значением данного физического или физико-химического свойства системы и содержанием анализируемого вещества может быть выражена графиком или формулой. Если все члены формулы известны, то результат анализа может быть установлен не графическим, а расчетным путем.

ФХМА классифицируют соответственно измеренных свойств систем:

В оптических методах анализа используется связь между оптическими свойствами системы:

1) светопоглощением 1) фотометрический анализ

2) светорассеянием 2) нефелометрия, турбидиметрия

3) преломление света 3) рефрактометрия

4) обращением плоскости поляризации 4) поляриметрия

плоскополяризованого света

5) вторичным свечением вещества 5) люминесцентный анализ

и ее составом.

В электрохимических методах анализа используют:

1) измерение электропроводности растворов 1) кондуктометрия

2) измерение величины электродных потенциалов 2) потенциометрия

3) наблюдение за процессом поляризации 3) полярография

микроэлектрода

4) количественное электролитическое выделение 4) электрогравиметрия

определяемого вещества

5) измерение количества электрики использованной 5) кулонометрия

при количественном электрохимическом

превращении веществ.

Наряду с оптическими и электрохимическими методами к числу важнейших физико-химических методов анализа следует отнести хроматографию. Основой хроматографии всех видов является использование различий в характере распределения разных веществ между двумя фазами. Большое значение имеют сорбционные методы, базирующиеся на отличиях в сорбции веществ, разных по составу и строению. Особое значение хроматография имеет как универсальный метод разделения веществ и их концентрирования. Концентрирование делает доступным определение исчезающе малых количеств веществ.

Отдельным направлением физико-химических методов анализа являются методы, базирующиеся на зависимости скорости реакции от концентрации реагирующего вещества. Они поэтому и называются кинетическими методами анализа. Измерение скорости реакции используется здесь для установления концентрации исследуемого компонента. Чувствительность кинетических методов анализов чрезвычайно высокая. Использование кинетических реакций разрешает устанавливать содержание миллионных долей микрограмма в миллилитре раствора.