Завдання, предмет і значення аналітичної хімії

РОЗДІЛ 3. ОСНОВИ АНАЛІТИЧНОЇ ХІМІЇ

Аналітична хімія – це наука про методи аналізу речовин. Разом з загальною, неорганічною, органічною і фізичною хімією аналітична хімія є частиною хімічної науки.

Предметом аналітичної хімії як науки є теорія і практика хімічного аналізу.

Аналітична хімія вирішує загальні проблеми теорії хімічного аналізу і розробляє окремі положення аналізу, які відносяться до методів, що існують та що заново створюються.

Аналітична хімія теоретично обґрунтовує методи якісного та кількісного аналізу, за допомогою яких можна визначати якісний склад речовини і встановити кількісне співвідношення елементів та хімічних сполук даної речовини.

До завдань аналітичної хімії належать:

1. Розвиток теорії усіх хімічних та фізико-хімічних методів аналізу, операцій, з якими доводиться мати справу у процесі наукового обґрунтування;

2. Розробка, удосконалення та виконання різноманітних методів аналізу.

Аналітична хімія – наука про методи аналізу, а хімічний аналіз – це відомі методи розпізнавання хімічного складу досліджуваної речовини, які використовуються на практиці.

Аналітична хімія відіграє велику роль у науковому та технічному прогресі, сприяє розвитку багатьох природничих наук, наприклад, геохімії, мінералогії, фізики, біології, агрохімії, а також металургії, медицині та ін.

Особливе значення має аналітична хімія у розвитку хімічної науки.

Аналітичні визначення необхідні при виконанні кожної науково-пошукової роботи з хімії.

Особливо велике значення аналітичної хімії і хімічного аналізу у виробництві, де необхідний постійний контроль попередження браку.

Без сучасних методів аналізу був би неможливим синтез нових хімічних сполук.

Важливе місце сьогодні відводиться аналітичній хімії в галузі охорони навколишнього природного середовища

Аналіз речовини може проводитися з метою встановлення якісного і кількісногойого складу. У відповідності з цим розрізняють якісний і кількісний аналіз.

Якісний аналіз дозволяє встановити, з яких хімічних елементів складається речовина і які йони, групи атомів та молекули входять до його складу. При дослідженні складу невідомої речовини якісний аналіз завжди передує кількісному аналізу, так як вибір методу кількісного визначення частин, що входять до складу речовини, яка аналізується, залежить від даних, що одержані при його якісному аналізі.

Кількісний аналіз призначений для визначення кількісних співвідношень складових частин досліджуваної речовини. Кількісний аналіз дає можливість встановити кількісний елементний або молекулярний склад речовини, яка аналізується чи вміст окремих її компонентів.

Хіміко-аналітичні дослідження будь-якого матеріалу на наявність небезпечних речовин складається з кількох етапів: ізолювання досліджуваних речовин з об’єктів того чи іншого походження, очищення одержаних проб від домішок, виділення досліджуваних речовин з попередньо очищених проб, ідентифікація та кількісне визначення виділених речовин. На окремих етапах хіміко-аналітичного аналізу застосовують відповідні хімічні, фізичні та фізико-хімічні методи.

Для ізолювання небезпечних речовин з досліджуваних об’єктів застосовують переважно методи екстракції, фільтрування, відгонки, випарювання, розкладу матеріалу тощо.

Очищення матеріалів здійснюється за допомогою методів екстракції, діалізу, перекристалізації, різних видів перегонки, хроматографії у тонких шарах сорбентів, адсорбційної хроматографії на колонках тощо.

Значно більша кількість методів застосовується для ідентифікації та кількісного визначення небезпечних речовин, виділених з досліджуваного матеріалу. Для ідентифікації цих речовин застосовують якісні реакції, методи хроматографії, спектроскопії в УФ- та ІЧ-ділянках, електрофорезу, мікрокристалоскопії та ін.

Для кількісного визначення небезпечних речовин застосовують чутливі фотоколориметричний, спектрофометричний, газохроматографічний та інші методи.

Завжди для виконання якісного або кількісного аналізу необхідно відібрати пробу речовини або суміші та підготувати її певним чином для аналізу.

3.2. Пробовідбір та пробопідготовка

Дуже важливими є питання пов’язані з двома операціями: пробовідбором та пробопідготовкою.

Умови відбору проби повинні задовольняти вимогам її представництва.Як правило, проба – це тільки деяка частина досліджуваного об’єкта, яка використовується в подальшому для вимірювання (наприклад, для аналізу складу). Під представництвом проби розуміється відповідність середнього результату вимірювання істинному значенню властивості, що досліджується, всього об’єкта дослідження. Представництво проби повинно визначатися тим ступенем достовірності, з якою робиться висновок про властивість об’єкта у цілому, на основі вивчення частини системи, наприклад, досліджуваного об’єму, аліквоти або аналітичної наважки. Представництвопроби визначається в основному трьома факторами – відносними розмірами проби, як частини системи, ступенем неоднорідності досліджуваної властивості системи та відтворюваністю методу дослідження.

Операції пробопідготовки

Селективність багатьох хімічних реакцій, а також сильний вплив побічних реакцій вимагають попереднього виконання часто дуже трудомістких операцій – розчинення, фільтрування, переводу з однієї аніонної форми в іншу. Не менш важливими є і фізико-механічні операції, наприклад дроблення і здрібнення. Крім того велике значення мають попередні операції пробопідготовки: розчинення, концентрування, фільтрування, дистиляція, екстракція та ін.

Фільтрування

Фільтрування – операція механічного розділення твердих та рідких компонентів будь-якої суміші. Сутність фільтрування полягає в тому, що рідину з частинками твердої речовини, що знаходяться в ній, пропускають через пористу перетинку; пори або отвори в перетинці настільки малі, що через них частинки твердого тіла не проходять, а рідина проходить легко. Ця перетинка, яка затримує тверді тіла, називається фільтром. Матеріали для фільтрування, що використовуються у лабораторній практиці, поділяють на два класи: 1) сипкі та 2) пористі. Крім того, матеріали для фільтрування розділяють на 1) неорганічні та 2) органічні. Найбільше розповсюдження у лабораторіях знайшли: фільтрувальний папір, целюлозна маса, азбест, волокнисті матеріали (тканини), змішані фільтри, пресоване скло, фарфор та ін. Вибір матеріалу для фільтрування залежить як від вимог до чистоти, так і від його властивостей. Для фільтрування неможливо використовувати такі матеріали, на які рідина, що фільтрується, може виявляти будь-яку дію.

Фільтрування можна проводити різними способами. Вибір способів фільтрування залежить від характеру рідин та властивостей осадів, що фільтрують. Найбільш простий і найбільш часто використаний спосіб – фільтрування при атмосферному тиску. Для фільтрування за цим способом не треба складних пристроїв. Важливим фактором, що впливає на швидкість фільтрування, являється тиск, під яким рідина проходить крізь фільтр. Чим тиск вище, тим швидше фільтрується рідина. Тому дуже часто фільтрують під вакуумом або під тиском. Крім того, у тих випадках, коли рідина або розчини мають велику в’язкість, фільтрування їх проводять при нагріванні. Фільтрування при нагріванні можна проводити як при нормальному тиску, так і під вакуумом та при підвищеному тиску. Фільтрування речовин, що мають низьку температуру плавлення, а також деяких розчинів у звичайних умовах не завжди можливе. В подібних випадках використовують фільтрування при охолодженні. Для відокремлення твердих завислих частинок від рідини можна використовувати відцентровану силу, тобто центрифугу. Перевагами центрифугованого фільтрування є висока швидкість, можливість швидкого промивання осаду, віджимання осаду від рідини майже досуха.

Дистиляція (перегонка)

Перегонка – дуже зручний спосіб виділення та очистки речовин. Розділення суміші рідин перегонкою можливо тоді, коли пара, що утворюється при перегонці, має інший склад у порівнянні з рідиною. Здійснюється шляхом часткового випаровування рідини і наступною конденсацією пари. При нагріванні рідини підвищується її температура та тиск насиченої пари. Підвищення температури та тиску відбувається до того часу, поки тиск пари не буде дорівнювати зовнішньому (атмосферному) тиску. При цьому температура досягає деякого певного значення (температури кипіння) і рідина закипає. Якщо рідину нагрівати до кипіння та відводити пару, що утворюється, то при охолодженні її на стінках почнеться утворення крапель рідини. Цими властивостями рідини – кипіти з утворенням пари – і здатністю її при охолодженні конденсуватися користуються для очищення рідин, використовуючи процес дистиляції або перегонки. В результаті дистиляції відігнана фракція (дистилят) збагачується відносно більш леткими (низкокиплячими) компонентами, а невідігнана рідина (кубовий залишок) – відносно менш леткими (висококиплячими).

Розрізняють три способи перегонки рідини: під звичайним тиском, під зменшеним тиском і перегонка з водяною парою.

У тих випадках, коли нагрівання не супроводжується розкладом речовини або коли рідина, яку переганяють, має не дуже високу температуру кипіння, для виділення або очистки користуються перегонкою під звичайним тиском.

Фракційною, або дробною, перегонкою називають такий спосіб ведення її, коли з суміші рідин з різними температурами кипіння виділяються деякі окремі компоненти. Дробну перегонку ведуть обов’язково з використанням дефлегматора. Замість дефлегматора краще користуватися колонками повної конденсації, які дають можливість більш тонкого розділення рідин за температурами кипіння.

Вакуум-перегонку (перегонка під зменшеним тиском) використовують у тих випадках, коли рідина за нормальних умов має дуже високу температуру кипіння або коли вона при нагріванні до високої температури піддаються розкладу або зміні. Розрізняють два основних методи перегонки під зменшеним тиском: а) перегонка при помірному вакуумі; б) перегонка у високому вакуумі. Зменшення температури кипіння рідини і, отже, перегонки, яка досягається зменшенням тиску, сприяє збереженню хімічної індивідуальності речовини, яку переганяють.

Перегонка з водяною парою є ефективним методом виділення або очистки сполук, які нерозчинні або важко розчинні у воді. Перегонка з водяною парою має перевагу перед звичайною перегонкою у тому, що вона може бути вибірковою, так як одні нерозчинні речовини переганяються з парою, а інші не переганяються.

Екстрагування

Для очистки речовин від домішок, а також для розділення сумішей речовин використовується вилучення, або екстрагування. Цей спосіб ґрунтується на різній розчинності речовин у розчиннику, який підходить, або в двох розчинниках, що не змішуються. Екстракцією називають метод вилучення розчинниками з суміші будь-яких речовин того чи іншого компонента. В основі цього методу лежить закон розподілу речовини між двома рідинами, які не змішуються (якщо екстрагують речовину з розчину у якій-небудь рідині) та різна розчинність окремих речовин в даному розчиннику (якщо речовину виділяють з суміші з іншими речовинами).

Більшість речовин (як рідких, так і твердих) розчиняються в декількох розчинниках. Якщо дана речовина розчинена у якому-небудь розчиннику і до цього розчину додати інший розчинник, який не змішується з першим, то частина речовини перейде в цей розчинник, утворюючи два шари рідин, що не змішуються, в яких буде міститься дана речовина. При цьому розподіл речовини між двома розчинниками буде цілком певним для кожного окремого випадку. Якщо є суміш двох або декількох речовин і необхідно виділити одну з них, то майже завжди можна підібрати такий розчинник, який розчиняє тільки необхідну речовину і майже не розчиняє інші.

Одним з найважливіших розчинників є вода, в якій розчиняється велика кількість різних неорганічних та органічних речовин. Дуже часто для екстракції використовують органічні розчинники, за допомогою яких можна відокремлювати не тільки органічні речовини, але і неорганічні.

У залежності від того, в якому вигляді знаходиться речовина, яку екстрагують, прийоми екстракції і конструкція приладів, що використовуються, дещо змінюється.

Процес екстрагування можна поділити на види: екстрагування твердих речовин (система “тверда речовина – рідина”) та екстрагування рідин (система “рідина – рідина”).

У залежності від характеру твердої речовини, яку виділяють, використовують або холодний розчинник (холодне екстрагування), або гарячий розчинник (гаряче екстрагування). При холодному екстрагуванні як розчинник дуже часто використовують воду, інколи використовують водні розчини кислот, лугів або різних солей. Звичайно водну екстракцію проводять у скляному або фарфоровому стакані. У випадку екстрагування органічними розчинниками використовують апарат Сокслета. Гаряче екстрагування водою або водними розчинами проводять в “перколяторах”. Гаряче екстрагування органічними розчинниками звичайно використовується для виділення важкорозчинних речовин та речовин, які перед розчиненням сильно набухають. Проводять його теж в апараті Сокслета.

Екстрагування рідин у простішому випадку проводять у ділильній лійці при струшуванні. Для екстрагування з водних розчинів звичайно використовують: діетиловий етер, петролейний етер, бензен, бензин та ін. При екстрагуванні з розчинів можна використовувати прилади аналогічні апарату Сокслета.

Екстрагування рідини рідиною може бути автоматизовано, якщо цю операцію проводити у безперервному потоці. Для цієї мети використовують екстрактори спеціальних конструкцій.

Випарювання та упарювання

У хімічних лабораторіях при роботі з різними розчинами, як водними, так і неводними, нерідко виникає необхідність у випарюванні.

Випарювання – це операція вилучення розчинника шляхом випаровування з метою або підвищення концентрації розчину, або виділення речовини, яка міститься в ньому. Швидкість випаровування рідини залежить від ряду факторів, з яких найважливішими є температура, тиск та площа поверхні випаровування. Як правило, швидкість випаровування прямо пропорційна поверхні випаровування. Крім того, на процес випарювання впливає товщина шару рідини. У тому випадку, коли розчинена речовина розкладається при нагріванні, розчинник відганяють під вакуумом або використовують плівкове випаровування. Швидкість випаровування залежить також від перемішування розчину та його циркуляції. Випарювання можна проводити на відкритому повітрі при звичайному тиску або у закритих апаратах з повною рекуперацією чи уловлюванням розчинника, який випаровується.

Інколи необхідно шляхом упарювання розчину підвищити його концентрацію. Для полегшення роботи можна заздалегідь розрахувати, до якого об’єму треба упарити рідину.

Прожарювання

Прожарюванням називають операцію нагрівання твердих речовин до високої температури (вище 400° С) з метою: а) виділення летких домішок; б) досягнення постійної маси; в) проведення реакцій, що протікають при високих температурах; г) озолення після попереднього спалювання органічних речовин. Нагрівання до високої температури проводять в печах (муфельних або тигельних), використовуючи різноманітні тиглі. Прожарювання можна проводити і на газових пальниках. В цьому випадку дуже зручна рознімна піч, в деяких випадках можна використовувати сковороду.

Хроматографічні методи розділення

Принцип та класифікація хроматографічних методів описані нижче (підрозділ 3.5. Фізико-хімічні методи аналізу).

Хроматографічні методи широко використовують у кількісному аналізі для розділення та концентрування окремих компонентів складних сумішей неорганічних та органічних сполук. Виділені компоненти визначають звичайними хімічними, фізичними та фізико-хімічними методами аналізу.

Дата добавления: 2014-12-07