Химический анализ, его виды и задачи

Существует множество видов анализа. Их можно классифицировать по разным признакам:.

- по характеру получаемой информации. Различают качественный анализ (в этом случае выясняют, из чего состоит данное вещество, какие именно компоненты входят в его состав) и количественный анализ (определяют содержание тех или иных компонентов, например в % по массе, или соотношения разных компонентов). Грань между качественным и количественным анализом весьма условна, особенно при исследовании микропримесей. Так, если в ходе качественного анализа некоторый компонент не был обнаружен, то обязательно указывают, какое минимальное количество этого компонента можно было бы обнаружить с помощью данного метода. Возможно, отрицательный результат качественного анализа связан не с отсутствием компонента, а с недостаточной чувствительностью использованного метода! С другой стороны, количественный анализ всегда выполняется с учетом заранее найденного качественного состава исследуемого материала.

- классификация по объектам анализа: технический, клинический, криминалистический и др.

- классификация по объектам определения.

Не следует путать термины - анализировать и определять. Объектами определения называют компоненты, содержание которых требуется установить или достоверно обнаружить. С учетом природы определяемого компонента выделяют различные виды анализа (табл.1.1).

Таблица 1-1. Классификация видов анализа (по объектам определения или обнаружения)

Классификация «по объектам определения» очень важна, поскольку помогает выбрать подходящий способ проведения анализа (аналитический метод). Так, для элементного анализа часто применяют спектральные методы, основанные на регистрации излучения атомов на разных длинах волн. Большинство спектральных методов предполагает полную деструкцию (атомизацию) анализируемого вещества. Если же надо установить природу и количественное содержание разных молекул, входящих в состав исследуемого органического вещества (молекулярный анализ), то одним из наиболее подходящих методов окажется хроматографический, не предполагающий деструкции молекул.

В ходе элементного анализа идентифицируют или количественно определяют элементы независимо от их степени окисления или от вхождения в состав тех или иных молекул. Полный элементный состав исследуемого материала определяют в редких случаях. Обычно достаточно определить некоторые элементы, существенно влияющие на свойства исследуемого объекта.

Вещественный анализ стали выделять в самостоятельный вид сравнительно недавно, раньше его рассматривали как часть элементного. Цель вещественного анализа - раздельно определить содержание разных форм одного и того же элемента. Например, хрома (III) и хрома (VI) в сточной воде. В нефтепродуктах раздельно определяют «серу сульфатную», «серу свободную» и «серу сульфидную». Исследуя состав природных вод, выясняют, какая часть ртути существует в виде прочных (недиссоциирующих) комплексных и элементоорганических соединений, а какая - в виде свободных ионов. Эти задачи труднее, чем задачи элементного анализа.

Молекулярный анализ особенно важен при исследовании органических веществ и материалов биогенного происхождения. Примером может быть определение бензола в бензине или ацетона в выдыхаемом воздухе. В подобных случаях необходимо учитывать не только состав, но и структуру молекул. Ведь в исследуемом материале могут находиться изомеры и гомологи определяемого компонента. Так, часто приходится определять содержание глюкозы в присутствии множества ее изомеров и других родственных соединений, например сахарозы.

Когда речь идет об определении суммарного содержания всех молекул, имеющих некоторые общие структурные особенности, одни и те же функциональные группы, а следовательно и близкие химические свойства, пользуются термином структурно-групповой (или функциональный) анализ. Например, сумму спиртов (органических соединений, имеющих ОН-группу) определяют, проводя общую для всех спиртов реакцию с металлическим натрием, а затем измеряя объем выделяющегося водорода. Сумму непредельных углеводородов (имеющих двойные или тройные связи) определяют, окисляя их иодом. Суммарные содержания однотипных компонентов иногда устанавливают и в неорганическом анализе - например, суммарное содержание редкоземельных элементов.

Специфическим видом анализа является фазовый анализ. Так, углерод в чугунах и сталях может растворяться в железе, может образовывать химические соединения с железом (карбиды), а может и образовывать отдельную фазу (графит). Физические свойства изделия (прочность, твердость и т.п.) зависят не только от общего содержания углерода, но и от распределения углерода между этими формами. Поэтому металлургов интересует не только общее содержание углерода в чугуне или стали, но и наличие в этих материалах отдельной фазы графита (свободного углерода), а также количественное содержание этой фазы.

Основное внимание в базовом курсе аналитической химии уделяется элементному и молекулярному анализу. В других видах анализа применяют весьма специфические методы, и в программу базового курса изотопный, фазовый и структурно-групповой анализы не входят.

Классификация по точности результатов, продолжительности и стоимости анализов. Упрощенный, быстрый и дешевый вариант анализа называют экспресс-анализом. Для их выполнения часто применяют тест-методы. Например, любой человек (не аналитик) может оценить содержание нитратов в овощах (сахара в моче, тяжелых металлов в питьевой воде и т.п.), воспользовавшись специальной индикаторной бумагой. Результат будет виден на глаз, поскольку содержание компонента определяется с помощью прилагаемой к бумаге шкалы окрасок. Тест-методы не требуют доставки пробы в лабораторию, какой-либо обработки исследуемого материала; в этих методах не применяется дорогостоящее оборудование, не проводятся расчеты. Важно лишь, чтобы результат не зависел от присутствия в исследуемом материале других компонентов, а для этого надо, чтобы реактивы, которыми пропитывают бумагу при ее изготовлении, были бы специфическими. Обеспечить специфичность тест-методов очень трудно, и широко распространенным этот вид анализа стал лишь в последние годы ХХ века.. Конечно, тест-методы не могут обеспечить высокой точности анализа, но она требуется далеко не всегда.

Прямая противоположность экспресс-анализу - арбитражный анализ. Основное требование к нему - обеспечить как можно большую точность результатов. Арбитражные анализы проводят довольно редко (например, для разрешения конфликта между изготовителем и потребителем промышленной продукции). Для выполнения таких анализов привлекают наиболее квалифицированных исполнителей, применяют самые надежные и многократно проверенные методики. Время, затраченное на выполнение такого анализа, как и его стоимость, - не имеют принципиального значения.

Промежуточное место между экспрессным и арбитражным анализом - по точности, длительности, стоимости и другим показателям - занимают так называемые рутинные анализы. Основная часть анализов, выполняемых в заводских и других контрольно-аналитических лабораториях, относится именно к этому типу.

Существуют и другие способы классификации, другие виды анализов. Например, учитывают массу исследуемого материала, непосредственно используемую в ходе анализа. В рамках соответствующей классификации выделяют макроанализ (килограммы, литры), полумикроанализ (доли грамма, миллилитры) и микроанализ. В последнем случае применяют навески порядка миллиграмма и менее, объемы растворов измеряют в микролитрах, а результат реакции иногда приходится наблюдать под микроскопом. Микроанализ используется в аналитических лабораториях довольно редко.

1.3. Методы анализа

Понятие «метод анализа» является важнейшим для аналитической химии. Этот термин используют, когда хотят выявить суть того или иного анализа, его основной принцип. Методом анализа называют достаточно универсальный и теоретически обоснованный способ проведения анализа, безотносительно к тому, какой компонент определяют и что именно анализируют. Существуют три основных группы методов (рис.1-1). Одни из них нацелены преимущественно на разделение компонентов исследуемой смеси (последующий анализ без этой операции оказывается неточным или вообще невозможным). В ходе разделения обычно происходит и концентрирование определяемых компонентов (см. главу 8). Примером могут быть методы экстрагирования или методы ионного обмена. Другие методы применяют в ходе качественного анализа, они служат для достоверного опознания (идентификации) интересующих нас компонентов. Третьи, наиболее многочисленные, предназначены для количественного определения компонентов. Соответствующие группы называют методами разделения и концентрирования, методами идентификации и методами определения. Методы двух первых групп, как правило, играют вспомогательную роль; они будут рассмотрены позднее. Наибольшее значение для практики имеют методы определения.

Кроме трех основных групп, существуют гибридные методы. На рис.1.1 эти методы не показаны. В гибридных методах разделение, идентификация и определение компонентов органично сочетаются в одним приборе (или в едином комплексе приборов). Важнейшим из таких методов является хроматографический анализ. В специальном приборе (хроматографе) компоненты исследуемой пробы (смеси) разделяются, поскольку они с разной скоростью двигаются сквозь колонку, заполненную порошком твердого вещества (сорбента). По времени выхода компонента из колонки судят о его природе и таким образом опознают все компоненты пробы. Вышедшие из колонки компоненты по очереди попадают в другую часть прибора, где специальное устройство – детектор - измеряет и записывает сигналы всех компонентов. Нередко тут же проводится автоматический расчет содержаний всех компонентов. Понятно, что хроматографический анализ нельзя считать только методом разделения компонентов, или только методом количественного определения, это именно гибридный метод.

Каждый метод определения объединяет множество конкретных методик, в которых измеряется одна и та же физическая величина. Например, для проведения количественного анализа можно измерить потенциал электрода, опущенного в исследуемый раствор, а потом по найденной величине потенциала рассчитать содержание некоторого компонента раствора. Все методики, где основной операцией является измерение потенциала электрода, считают частными случаями потенциометрического метода. При отнесении методики к тому или иному аналитическому методу не важно, какой объект исследуется, какие именно вещества и с какой точностью определяются, какой прибор используют и как проводят расчеты - важно лишь, какую величину мы измеряем. Измеряемую в ходе анализа физическую величину, зависящую от концентрации определяемого компонента, принято называть аналитическим сигналом [1].

Аналогичным образом можно выделить метод спектрального анализа. В этом случае основная операция - измерение интенсивности света, излучаемого пробой на определенной длине волны. Метод титриметрического (объемного) анализа основан на измерении объема раствора, затраченного на химическую реакцию с определяемым компонентом пробы. Слово «метод» часто опускают, говорят просто «потенциометрия», «спектральный анализ», «титриметрия» и т.п. В рефрактометрическом анализе сигналом является показатель преломления света исследуемым раствором, в спектрофотометрии – поглощение им света (на определенной длине волны). Перечень методов и соответствующих им аналитических сигналов можно продолжить, всего известно несколько десятков независимых методов.

Каждый метод определения имеет свои собственные теоретические основы и связан с применением специфического оборудования. Области применения разных методов существенно различаются. Одни методы преимущественно используются для анализа нефтепродуктов, другие – для анализа лекарственных препаратов, третьи – для исследования металлов и сплавов, и т.д. Аналогично можно выделять методы для проведения элементного анализа, методы изотопного анализа и т.д. Есть и универсальные методы, применяемые в анализе самых разных материалов и пригодные для определения в них самых разных компонентов. Например, спектрофотометрический метод может служить и для элементного, и для молекулярного, и для структурно-группового анализа.

Точность, чувствительность и другие характеристики отдельных методик, относящихся к одному и тому же аналитическому методу, различаются, но не так сильно, как характеристики разных методов. Любую аналитическую задачу всегда можно решить несколькими разными методами (скажем, хром в легированной стали можно определить и спектральным методом, и титриметрическим, и потенциометрическим). Аналитик выбирает метод, учитывая известные возможности каждого из них и конкретные требования к данному анализу. Нельзя раз и навсегда выбрать “лучшие” и “худшие” методы, все зависит от решаемой задачи, от требований к результатам анализа. Так, гравиметрический анализ дает, как правило, более точные результаты, чем спектральный, но требует больших затрат труда и времени. Поэтому гравиметрический анализ хорош для проведения арбитражных анализов, но не годится для экспресс-анализа.

Методы определения делят на три группы: химические, физические и физико-химические. Нередко физические и физико-химические методы объединяют общим названием “инструментальные методы”, поскольку в обоих случаях используются приборы, причем одни и те же. Вообще границы между группами методов весьма условны.

Химические методы основаны на проведении химической реакции между определяемым компонентом и специально добавляемым реагентом. Реакция проходит по схеме:

Х + R = Y.

Здесь и далее символом Х обозначается определяемый компонент (молекула, ион, атом и т.п.), R - добавляемый реагент, Y - совокупность продуктов реакции. К группе химических методов относят классические (давно известные и хорошо изученные) методы определения, прежде всего гравиметрию и титриметрию. Число химических методов сравнительно невелико, все они имеют одни и те же теоретические основы (теорию химических равновесий, законы химической кинетики и т.п.). В качестве аналитического сигнала в химических методах обычно измеряют массу или объем вещества. Сложные физические приборы, за исключением аналитических весов, и специальные эталоны химического состава в химических методах не используются. Эти методы имеют много общего и по своим возможностям. Они будут рассмотрены в главе 4.

Физические методы не связаны с проведением химических реакций и применением реагентов. Их основной принцип – сопоставление однотипных аналитических сигналов компонента Х в исследуемом материале и в некотором эталоне (образце с точно известной концентрацией Х). Заранее построив градуировочный график (зависимость сигнала от концентрации или массы Х) и измерив значение сигнала для пробы исследуемого материала, рассчитывают концентрацию Х в этом материале. Существуют и другие способы расчета концентраций (см.главу 6). Физические методы обычно чувствительнее, чем химические, поэтому определение микропримесей ведут преимущественно физическими методами. Эти методы легко поддаются автоматизации, требуют меньших затрат времени на проведение анализа. Однако физические методы нуждаются в специальных эталонах, требуют довольно сложного, дорогого и весьма специализированного оборудования, К тому же они, как правило, менее точны, чем химические.

Промежуточное место между химическими и физическими методами по своим принципам и возможностям занимают физико-химические методы анализа. В этом случае аналитик проводит химическую реакцию, но за ее ходом или за ее результатом следит не визуально, а с применением физических приборов. Например, постепенно добавляет к исследуемому раствору другой – с известной концентрацией растворенного реагента, и при этом контролирует потенциал электрода, опущенного в титруемый раствор (потенциометрическое титрование), По скачку потенциала аналитик судит об окончании реакции, измеряет затраченный на нее объем титранта и рассчитывают результат анализа. Такие методы, как правило, столь же точны, как и химические, и почти столь же чувствительны, как и физические методы.

Инструментальные методы часто разделяют по другому, более четко выраженному признаку – по природе измеряемого сигнала. В этом случае выделяют подгруппы оптических, электрохимических, резонансных, активационных и других методов. Существуют также немногочисленные и пока что недостаточно развитые методы биологические и биохимические методы.