ЭТАПЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности называется метрологией. Количественный химический анализ, целью которого является определение содержания веществ в разных объектах, может рассматриваться как измерительная процедура, характеризующаяся рядом специфических особенностей.

Количественный химический анализ, прежде всего, является многостадийным процессом, включающим ряд этапов и стадий. При выполнении химического анализа с помощью любого мето­да можно выделить следующие основные этапы:

— постановка аналитической задачи;

— выбор метода анализа;

— выполнение анализа;

— оценка качества анализа;

— принятие решений по результатам анализа.

При постановке аналитической задачи необходимо дать характеристику объекта анализа, указать химическую формулу определяемого компонента, возможный интервал его содержаний, требуемую точность и продолжительность анализа.

Выбор метода анализа определяется поставленной аналитической задачей и техническими возможностями аналитической лаборатории.

Этап, связанный непосредственно с проведением химического анализа, наиболее трудоемок и включает ряд стадий, представленных на рис. 5.2.

Методика анализа включает подробное описание последовательности и условий проведения всех стадий анализа. Точное следование методике анализа позволяет выполнить анализ с минимальными погрешностями на каждой стадии и получить правильный результат анализа.

Первая стадия химического анализа — отбор средней (представительной) пробы. Это небольшая часть анализируемого объекта, средний состав и свойства которой должны быть идентичны во всех отношениях среднему составу и свойствам объекта анализа. Содержание определяемого компонента в анализируемой пробе должно отражать среднее содержание этого компонента во всем исследуемом объекте, т. е. анализируемая проба должна быть представительной. Погрешность в отборе пробы часто определяет общую погрешность химического анализа. Не оценив погрешность на этой стадии, нельзя говорить о правильности определения компонента в анализируемом объекте.

Подготовка пробы к анализу включает ряд сложных операций, например, такие как высушивание пробы, разложение (вскрытие) пробы, устранение влияния мешающих компонентов. В зависимости от цели анализа, природы объекта и выбранного метода могут быть использованы разные модификации и комбинации этих операций. В правильном проведении химического анализа роль подготовки пробы настолько велика, что химик-аналитик должен каждый раз оценивать необходимость включения операций пробоподготовки в методику анализа, их влияние на общую погрешность анализа.

После отбора и подготовки пробы наступают стадии химического анализа, на которых определяют количество компонента. С этой целью измеряют аналитический сигнал. В большинстве методов им является среднее из измерений физической величины на заключительной стадии анализа, функционально связанной с содержанием определяемого компонента. Это может быть сила тока, ЭДС системы, оптическая плотность, интенсивность излучения и т.д. В отдельных методах анализа возможно непосредственное определение содержания. Например, в гравиметрическом методе иногда прямо измеряют массу определяемого компонента.

При определении количества компонента измеряют величину аналитического сигнала. Затем рассчитывают содержание компонента с использованием функциональной зависимости аналитического сигнала от содержания: у = f(с), которая устанавливается расчетным или опытным путем и может быть представлена в виде формулы, таблицы или графика. Содержание может быть выражено абсолютным количеством определяемого компонента в молях, в единицах массы или через соответствующие концентрации.

При измерении аналитического сигнала учитывают наличие полезного аналитического сигнала, являющегося функцией содержания определяемого компонента, и аналитического сигнала фона, обусловленного примесями определяемого компонента и мешающими компонентами в растворах, растворителях и матрице образца, а также «шумами» в измерительных приборах, усили­телях и другой аппаратуре. Эти шумы не имеют отношения к опре­деляемому компоненту, но накладываются на его собственный аналитический сигнал. Задача аналитика состоит в том, чтобы максимально снизить величину аналитического сигнала фона и, главное, сделать минимальными его колебания.

Обычно аналитический сигнал фона учитывают в контрольном (холостом) опыте, когда через все стадии химического анализа проводится проба, не содержащая определяемого компонента. Полезным при этом будет аналитический сигнал, равный разности измеренного сигнала и аналитического сигнала фона.

На основании существующей зависимости между аналитическим сигналом и содержанием находят концентрацию определяе­мого компонента. Обычно при этом используют методы градуированного графика, стандартов или добавок. Описанные в литературе другие способы определения содержания компонента, как правило, являются модификацией этих трех методов.

Наиболее распространен метод градуировочного графика: в координатах (аналитический сигнал – содержание компонента) строят график с использованием образцов сравнения с разными и точно известными уровнями содержания компонента (концентрация С). Затем, измерив величину аналитического сигнала в пробе, находят содержание определяемого компонента по градуировочному графику (рис. 5.3).

В методе стандартов измеряют аналитический сигнал в образ­це сравнения (стандартном образце) с известным содержанием компонента и в анализируемой пробе: У_ст = sС_ст и у_х = sС_Х, где s-коэффициент пропорциональности.

Если определенное в идентичных условиях значение s заранее известно, то можно провести расчет по формуле С_х = У_х/S. Обычно же используют соотношение У_ст/У_Х = С_ст/С_Х, откуда

Иногда работают с двумя стандартными образцами, в которых содержание компонента отличается от предполагаемого содержания в анализируемой пробе в одном случае в меньшую, в другом — в большую сторону. Этот вариант метода стандартов называют методом ограничивающих растворов. Содержание определяемого компонента рассчитывают по формуле

Если при определении малых количеств компонента нужно учесть влияние матрицы образца на величину аналитического сигнала, то часто используют методы добавок — расчетный или графический.

При определении содержания расчетным методом берут две аликвоты раствора анализируемой пробы. В одну из них вводят добавку определяемого компонента известного содержания. В обеих пробах измеряют аналитический сигнал — у_х и у_х+доб-

Неизвестную концентрацию определяемого компонента рас­считывают по формуле

где V_доб и С_доб — объем и концентрация добавленного раствора определяемого компонента; V — аликвота анализируемой пробы.

При определении содержания компонента графическим методом берут п аликвот анализируемой пробы: 1, 2, 3, ..., п. Во 2-ю, ..., п-ю аликвоты вводят известные, возрастающие, количества опре­деляемого компонента. Во всех аликвотах измеряют аналитический сигнал и строят график в координатах аналитический сигнал -содержание определяемого компонента, приняв за условный нуль содержание определяемого компонента в аликвоте без добавки (аликвота 1). Экстраполяция полученной прямой до пересечения с осью абсцисс дает отрезок слева от условного нуля координат, величина которого в выбранном масштабе и единицах измерения соответствует С_х определяемого компонента (рис. 5.4).

Метод стандартов и метод добавок применимы для линейной градуировочной функции. Метод градуировочного графика допускает использование как линейной, так и нелинейной функций анали­тический сигнал—содержание. В последнем случае требуется боль­шее число экспериментальных данных, и результат определения содержания компонента бывает, как правило, менее точным.