Общая характеристика физических и физико-химических методов анализа. Классификация физических и физико-химических методов анализа

В зависимости от характера измеряемого свойства (природы процесса, лежащего в основе метода) или способа регистрации аналитического сигнала методы определения бывают:

- химические: основаны на использовании химических реакций (титриметрия, гравиметрия)

- физические: основаны на измерении с помощью специальных приборов физических свойств определяемых веществ, которые изменяются при изменении содержания вещества в исследуемом объекте.

- биологические: основаны на применении живых организмов в качестве аналитических индикаторов

физико-химические: c помощью специальных приборов исследуется изменение физических свойств вещества в процессе протекания химической реакции

Физические методы анализа, в свою очередь, бывают:

• спектроскопические (основаны на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением);

• электрометрические (электрохимические) (основаны на использовании процессов, происходящих в электрохимической ячейке);

• термометрические (основаны на тепловом воздействии на вещество);

• радиометрические (основаны на ядерных реакциях).

Физические и физико-химические методы анализа часто объединяют под общим названием «инструментальные методы анализа».

Природа и свойства электромагнитного излучения. Классификация спектроскопических методов анализа по длине волны; по характеру взаимодействия с веществом; по типу частиц, участвующих в процессе.

Спектроскопическими называются методы анализа, в которых качественно и количественно измеряется взаимодействие электромагнитного излучения с веществом.

Электромагнитное излучение имеет двойственную природу и обладает как волновыми, так и корпускулярными (дискретными) свойствами.

Электромагнитная волна состоит из двух компонентов - электрического и магнитного, которые перпендикулярны друг другу и к направлению движения волны.

Электромагнитная волна, как и любая волна, обладает следующими основными параметрами.

 Длина волны (Л) - расстояние, которое проходит волна за один период её колебаний (расстояние между двумя последовательными максимумами). Длина волны измеряется в метрах (м). На практике обычно используют кратные единицы - нанометр (1 нм = 1*10-9 м) или микрометр (1 мкм = 1*10-6 м).

Частота (v)- число колебаний в 1 секунду. Частота измеряется в герцах (1Гц = 1 с-1) или в кратных ему единицах, например, 1МГц = 1*106 Гц. Длина волны и частота колебаний связаны между собой следующим уравнением л*v=c,где с - скорость распространения волны в данной среде.

Для электромагнитной волны с=с0 / n,где с0 - скорость света в вакууме (2,99792*108 м/с), n - показатель преломления среды.

Частота зависит только от свойств источника излучения и не зависит от свойств среды. Длина волны зависит от природы среды,температуры и давления.

Волновое число V - число волн, приходящихся на 1 см в вакууме. V=Л-1, где Л - длина волны (см). Размерность V- см-1.

Электромагнитное излучение можно рассматривать как поток частиц энергии - фотонов. Связь между волновой и корпускулярной природой электромагнитного излучения устанавливает уравнение Планка:

E=hv=hc/л=hcV,где h - постоянная Планка (h = 6,6262*10-34 Дж*с) Единицей измерения энергии является Джоуль (Дж). В спектроскопии часто используют внесистемную единицу - электрон-вольт (1эВ = 1,602210-19 Дж). Чем больше длина волны электромагнитного излучения (меньше частота колебаний), тем меньше его энергия.Совокупность всех энергий (длин волн, частот) электромагнитного излучения называется электромагнитным спектром.

оптический диапазон:рентгеновское -УФ видимое- ИК микроволновое радиоволны

В спектроскопических методах анализа спектром (спектром поглощения, спектром испускания) называется зависимость между энергией кванта и числом квантов, обладающих данной энергией

Существует несколько подходов к классификации спектроскопических методов анализа. Классификационным критерием может быть вид электромагнитного излучения, характер его взаимодействия с веществом, вид частиц, взаимодействующих с электромагнитным излучением.

В спектроскопических методах анализа используется практически весь диапазон электромагнитного излучения: от у-излучения до радиоволн.

Все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую природу, поэтому между различными спектроскопическими методами анализа имеется много общего. Вместе с тем, различные виды электромагнитного излучения по-разному взаимодействуют с веществом.

Поэтому каждый спектроскопический метод анализа имеет свою область применения, свою аппаратуру, особенности получения аналитического сигнала и т.д.

В зависимости от характера взаимодействия электромагнитного излучения с веществом различают следующие группы спектроскопических методов анализа:

 методы, основанные на поглощении электромагнитного излучения (абсорбционные методы);

 методы, основанные на испускании веществом электромагнитного излучения (эмиссионные методы);

 методы, основанные на рассеянии электромагнитного излучения, на отражении электромагнитного излучения и других процессах.

В абсорбционных спектроскопических методах через исследуемый образец пропускают электромагнитное излучение определённой длины волны. Если в данном образце имеются частицы, способные поглощать такое электромагнитное излучение, то интенсивность выходящего излучения будет меньше интенсивности излучения, попадающего на образец.

В эмиссионных спектроскопических методах исследуемые частицы тем или иным образом переводят в возбуждённое состояние. При возвращении в основное состояние они испускают электромагнитное излучение, интенсивность которого и измеряется.

Переход частицы в возбуждённое состояние может происходить как в результате воздействия на неё энергии электромагнитного излучения (например, при фотолюминесценции), так и в результате воздействия других видов энергии (например, фотометрия пламени).

В зависимости от вида частиц, взаимодействующих с электромагнитным излучением, спектроскопические методы анализа разделяют на атомные и молекулярные. Атомные и молекулярные спектроскопические методы отличаются друг от друга характером получаемых спектров (атомные - линейчатые, молекулярные состоят из широких полос поглощения или испускания), используемой аппаратурой и кругом решаемых задач.