Предмет аналитической химии
Аналитическая химия – это наука, развивающая общую методологию, принципы, методы и средства измерения, способы определения химического состава вещества и разрабатывающая способы анализа вещества различных материальных объектов.
Как и другие науки, аналитическая химия и отдельные её разделы возникали или развивались особенно успешно в те периоды, когда та или иная практическая потребность вызывала необходимость быстрого развития какой-либо отрасли промышленности, а для этого развития требовалось знание о химическом составе веществ или материалов. Например, исторически аналитическая химия развивалась параллельно с геологией, позволяя решать её научные и практические задачи.
На современном этапе развития аналитическая химия – это междисциплинарная наука, со своими предметом и методами исследования, основанная на теоретических и практических достижениях таких разделов научного знания как
· метрология, наука об измерениях (принципы, методы, средства измерения, способы определения химического состава веществ, способы обработки аналитических сигналов и результатов химического анализа);
· неорганическая, органическая и физическая химия, физика (принципы, методы, средства измерения и способы определения химического состава веществ);
· материаловедение, электроника, измерительная техника (средства измерения химического состава веществ);
· биология и генная инженерия (принципы, методы, средства измерения и способы определения химического состава веществ);
· математика, информатика (способы обработки аналитических сигналов и результатов химического анализа).
В настоящее время аналитическая химия включает в себя множество разнообразных методов и методик, использующих различные химические, физические и биологические явления, с помощью которых можно получить информацию о качественном и количественном химическом составе вещества материальных объектов.
Все методы химического анализа основаны на регистрации тех химических или физических свойств определяемых компонентов (качественный анализ) и измерении интенсивности этих свойств (количественный анализ), которые связаны определенной зависимостью с химической природой определяемых компонентов и с их содержанием в анализируемом веществе объекта анализа.
В химических методах количественного анализа в качестве таких свойств используются химические свойства соединений, проявляющиеся при химическом взаимодействии, подчиняющемся определённым химическим законам. На основании этих законов, измеряя количество частиц вещества сравнения, затраченного на реакцию с определяемым компонентом, или образующегося в результате реакции с определяемым компонентом, рассчитывают содержание искомого компонента в пробе анализируемого вещества.
Почти до середины ХХ в. в аналитических лабораториях использовали в основном химические методы количественного анализа – гравиметрию и титриметрию, характеризующихся достаточно высокой точностью и не требующих сложных средств измерения. Этими методами выполнялось большинство анализов в химической, горнодобывающей, металлургической, фармацевтической, пищевой, текстильной промышленности, в строительстве, сельском хозяйстве. В настоящее время методы гравиметрии и титриметрии применяют в тех случаях, когда стоит задача определения одного компонента при его содержании более 0.1 % в пробе анализируемого вещества, важна низкая стоимость анализа, а его длительность не имеет существенного значения. Например, в геологии химические методы применяют для установления химического состава стандартных образцов состава вещества минерального сырья, а также при установлении химического состава неизвестных минералов и горных пород.
Измерение различных физических и физико-химических свойств определяемых компонентов в веществе объекта анализа лежит в основе физических методов анализа. Эти методы стали развиваться бурными темпами с середины ХХ в., обеспечивая развитие атомной энергетики, ракетостроения, электроники, исследование космоса, для которых потребовалось создание для новой техники новых веществ и материалов, в том числе высокочистых, что невозможно без анализа их химического состава. С развитием новой техники возникла необходимость снизить предел определения примесных компонентов в пробах анализируемых высокочистых веществдо 10-5 – 10-10 %, так как при более высоком уровне загрязняющих примесей конструкционные и другие материалы нельзя было использовать в соответствующих областях промышленности, так как при этом уровне содержания примесей существенно менялись свойства металлов и других материалов. Хрупкие металлы становились пластичными, изменялись механическая прочность, электрическая проводимость и другие свойства. Определение столь малых содержаний гравиметрическим или титриметрическим методами невозможно, и эта задача была решена с помощью физических методов анализа.
Современные физические методы, такие как оптические, ядерно-физические, рентгеновские, масс-спектрометрические, хроматографические, электрохимические отличаются низкими пределами обнаружения и определения, возможностью определения компонентов в широком диапазоне их содержания в веществе объекта анализа различной природы и различного происхождения, возможностью определения большого числа компонентов из одной навески, часто малой и ультрамалой массы, и экспрессностью. Важнейшими особенностями некоторых физических методов являются также возможность проводить анализ без разрушения пробы анализируемого вещества и на расстоянии. Средства измерений физических свойств позволяют получать данные о химическом составе вещества анализируемых объектов в виде электрических сигналов, воспринимаемых электронно-вычислительными устройствами, что позволяет автоматизировать процедуры измерения, обработки измерительной информации и вычислений.
Теория аналитической химии включает учение:
· о новых принципах и методах химического анализа;
· о схемах анализа;
· об отборе рабочих и подготовке аналитических проб к измерению аналитического сигнала;
· о подготовке проб анализируемого вещества к измерению аналитичекого сигнала;
· о принципах и путях автоматизации химического анализа и применения ЭВМ;
· о критериях выбора методов анализа;
· об основах использования результатов химического анализа.
В теоретических основах аналитической химии существенное место занимает метрология химического анализа, позволяющая оценить достоверность результатов химического анализа путём проверки прецизионности (повторяемости и воспроизводимости) и правильности полученных результатов.
В области аналитической химии выделяют три крупных направления исследований:
1. Общие теоретические основы принципов, методов, средств и способов определения химического состава веществ;
2. Разработка методов химического анализа. Например, в ТПУ на кафедре физической и аналитической химии разработан в 60-е – 80-е годы 20-го века метод инверсионной вольтамперометрии для определения ионов металлов и некоторых органических соединений в пробах вещества объектов микроэлектроники, пищевых продуктов, биологических материалов, вод различного происхождения;
3. Аналитическая химия отдельных элементов (например, аналитическая химия вольфрама) и объектов (например, аналитическая химия атмосферы).
Аналитическая химия является научной основой химического анализа. Конечная практическая цель аналитической химии как науки теоретически обосновать и разработать схемы химического анализа вещества различных объектов, позволяющие получать достоверные результаты об его химическом составе. Схема химического анализа конкретного вещества оформляется документально в виде методики химического анализа. Использование методик химического анализа позволяет определить, из каких компонентов (элементов, изотопов, ионов, молекул) состоит вещество объекта анализа, как они связаны между собой, а в некоторых случаях становится возможным и установление пространственного расположения компонентов по поверхности или объёму пробы анализируемого вещества.
Аналитическая химия имеет огромное научное значение, представляя совокупность методов исследования и методик анализа химического состава веществ различного происхождения. Она является теоретической базой научных и прикладных достижений в развитии химических наук и в смежных с химией областях науки, таких как геология, экология, физиология, микробиология, агрохимия, фармацевтическая химия и других, когда необходимо знание о химическом составе веществ и материалов.
| 2 ЦЕЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ В ЭКОЛОГИИ |
| Химический анализ проводится на всех предприятиях, производящих продукцию, представляющую из себя вещество или материал. Это горно-, газо-, нефтедобывающие и перерабатывающие предприятия, это предприятия по производству металлургической, нефтехимической, химической, фармацевтической, пищевой продукции, строительных материалов. Это производства агропромышленного комплекса – животноводство, зерноводство, овощеводство и т.д. Используя методики химического анализа, на этих предприятиях осуществляют входной, технологический, выходной, арбитражный и экологический контроль химического состава вещества. Химический анализ необходим в медицинской диагностике, санитарной гигиене, биотехнологии, криминалистике, экологии. Борьба с терроризмом, наркобизнесом, обманом в спортивных достижениях также не обходятся без использования данных химического анализа. В геологии геохимические методы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых основаны на использовании результатов химического анализа проб вещества, отобранными геологами в полевых условиях. Каждая отрасль имеет свою специфику при постановке и решении аналитических задач. Эта специфика отражается в том, что химический анализ проб вещества конкретных объектов анализа проводят в аналитических лабораториях, обеспечивающих конкретные виды анализа ограниченного перечня объектов с использованием арсенала методов, рекомендуемых аналитической химией. |
| В экологии результаты химического анализапроб вещества природных объектов используются для оценки техногенного загрязнения природной среды . Без результатов химического анализа не могут быть разработаны способы и средства очистки отходов различных производств перед их сбросом и выбросом в природные среды. Экологический контроль и мониторинг состояния окружающей природной среды основан на данных химического анализа состава атмосферного воздуха, поверхностных вод, почвы. |
| 3 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ И АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВ |
| Объект химического анализа – это может быть партия минерального (руда) и вторичного (металлолом) сырья, партия химического продукта (метанол, полиэтилен, серная кислота), партия металлургического продукта (выплавленная сталь, медь), партия пищевого продукта (сок, хлеб), партия материала (полиэтиленовая плёнка, кремниевая пластина, жесть), партия продукта бытовой химии (шампунь, стиральный порошок), природная, сточная, технологическая или питьевая вода, атмосферный воздух, воздух рабочей зоны, изделие из ювелирного сплава, товарная нефть из резервуара, листья или корни растения, зерно, кровь человека и т.д. и т.п. Любой объект химического анализа представляет собой вещество. |
| Вещество объекта химического анализа в макромасштабе, то есть в реальном материальном мире, – это смесь макроколичества химических частиц – атомов и химических соединений, связанных межмолекулярными связями химической или физической природы (вещество в твёрдом и жидком агрегатном состоянии) или механически (вещество в газообразном агрегатном состоянии). В микромасштабе, на атомно-молекулярном уровне, понятие вещества иное. Химики оперируют понятием простое (состоящее из химического элемента одного наименования) и сложное (образованное химическими элементами разного наименования) чистое вещество. Однако, абсолютно чистое вещество – это абстрактное понятие. Ни одно вещество в реальном материальном мире не состоит на 100 % из химических частиц одного наименования. Сверхчистые вещества, созданные человеком, тем не менее, содержат в виде примесей атомы или молекулы другого наименования. Например, золото, полученное металлургическим путём в виде слитков, состоит на 99.99 % из атомов элемента Au и на 0.01 % из атомов других элементов; особо чистый алюминий содержит 0,001 % примесей в виде атомов других элементов. Слиток золота представляет собой твердую физико-химическую смесь макроколичества химических частиц – атомов золота и примесных атомов других элементов. Особочистый газ азот содержит 0,001 % примесей в виде других газообразных молекул. Примером вещества сложного химического состава является вещество речной воды. Речная вода – это объект химического анализа. Вещество речной воды представляет собой механическую (взвешенные частицы каких-то твердых веществ) и физико-химическую смесь молекул Н2О с множеством растворимых и нерастворимых в ней химических соединений органической и неорганической природы как природного (гуминовые кислоты, гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды кальция и магния и др.), так и техногенного (карбамид, фенол, лаурилсульфат натрия и др.) происхождения. Молекулы Н2О связаны как между собой межмолекулярными водородными связями, так и межмолекулярными связями различной природы с различными ионами (в виде гидратированных ионов) и различными молекулами (в виде аквакомплексов), находящимися в воде.) Любое вещество объекта химического анализа может быть отнесено к веществу природного или искусственного происхождения. Оно может находиться в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком, газообразном или смешанном (гетерофазном). Может быть органической, неорганической или смешанной природы. Например, растение – это объект анализа, а зола, полученная после сжигания растения, представляет собой твердое неорганическое вещество искусственного происхождения, содержащее смесь твердых неорганических химических соединений – углерода, окислов и солей металлов. |
| Химический состав вещества (материала) объекта анализа– совокупность компонентов, из которых состоит вещество (материал)объекта анализа.Под компонентом понимают химический элемент, изотоп, молекулу, радикал, функциональную группу, группу или класс химических соединений, обладающих определёнными однородными химическими или физическими свойствами [ГОСТ Р 52361-2005]. |
| Химический анализ вещества объекта анализа– определение компонентов химического состава вещества объекта анализа, например, компонентов вещества подземной воды, компонентов вещества урановой руды, компонентов вещества природного газа, компонентов вещества нефти и т.д. |
| Определяемый компонент в пробе вещества объекта анализа в зарубежных и в некоторых современных российских учебниках по аналитической химии называют аналитом. Этот термин введен в действие в аналитическую практику в России по ГОСТ Р 52361-2005 «Национальный стандарт Российской Федерации. Контроль объекта аналитический. Термины и определения» в 2005 году (в пособии используется термин «определяемый компонент»). Определяемым компонентом может быть, например, химический элемент свинец, изотопы атома калия 40К, органические молекулы CH4 или неорганические молекулы FeS, радикалы СН∙, функциональные группы -СН3 или ионы СО32-, группа или класс химических соединений – сумма углеводородов, сумма поверхностно-активных веществ и т. д. |
| Проба вещества объекта анализа– часть вещества объекта анализа, отобранная для химического анализа, отражающая его химический состав, структуру и свойства, и переданная в аналитическую лабораторию. Представительная проба вещества– проба вещества, которая по химическому составу, свойствам, структуре принимается идентичной веществу объекта анализа, от которого она отобрана. |
| Метод химического анализавещества объекта анализа – это способ получения информации о химическом составе вещества объекта анализа на основе использования одного или нескольких принципов анализа вещества [ГОСТ Р 52361-2005]. |
| Аналитический сигнал –измерительный сигнал, регистрируемый в ходе анализа пробы вещества объекта анализа, содержащий качественную и количественную информацию о величине, функционально связанной с содержанием определяемого компонента (конкретных атомов, изотопов, ионов, молекул). Аналитическим сигналом служит физическое, физико-химическое или химическое свойство определяемого компонента, которое зависит от его наличия и его содержания в пробе анализируемого вещества. |
| Содержание компонента в пробе анализируемого вещества – это содержание массы компонента А, m (А), или содержание количества частиц компонента А,n (А), отнесенное к массе пробы вещества, m (вещ), пошедшей на анализ (процентное содержание компонента w(А)) или к объёму пробы жидкого или газообразного вещества V (массовая концентрация компонента Сm(А) и молярная концентрация компонента Сn(А)). w(А) = [m (А)/ mвещ]×100, %. Сm(А) =m(А)/Vм.к., г/дм3 Сn(А) =n(А)/Vм.к., мольг/дм3 |
| Результат химического анализа пробы вещества – это информация о качественном и/или количественном химическом составе пробы вещества объекта анализа, полученная в ходе анализа вещества. Информация о качественном химическом составе содержит сведения о названиях компонентов, присутствующих в пробе анализируемого вещества, информация о количественном химическом составе содержит сведения о содержании этих компонентов. |
| Методика химического анализавещества объекта анализа – документ, в котором в соответствии с используемым методом анализа описана последовательность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результата химического анализа конкретного вещества конкретного объекта анализа с установленными характеристиками погрешности или неопределенностью для методик количественного анализа, а для методик качественного анализа – с установленной достоверностью. |
Примеры методик количественного химического анализа:
ПНД Ф 16.1.1-96 Методика выполнения измерения массовых концентраций ртути в пробах почв методом беспламенной атомной абсорбции с термическим разложением проб. (Диапазон измерений (мг/кг) От 0,02 до 2,0 вкл. )
ПНД Ф 14.1:2:4.5-95 (издание 2011 г.) Методика измерений массовой концентрации нефтепродуктов в питьевых, поверхностных и сточных водах методом ИК-спектрометрии. (Диапазон измерений (мг/дм3) от 0,05 до 50 вкл.)
РД 52.04.85-86 Методические указания по определению суммы углеводороводов в выбросах с использованием автоматических газоанализаторов.
РД 52.04.167-88 Методические указания. Измерения содержания металлов в атмосферных осадках и аэрозолях атомно-абсорбционным методом.
Контроль за загрязнением воздуха, воды и почвы вредными химичecкими компонентами (полллютантами - атомами, изотопами, ионами, молекулами, группой родственных соединений) основан на сравнении результатов измерения их содержаний в веществе объектов окружающей природной среды с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) этих компонентов.
ПДК– это максимальное количество вредного химического компонента в единице объёма (воздуха, воды) или массы (почва), которое при ежедневном воздействии в течение неограниченно продолжительного времени не вызывает в организме каких-либо патологических отклонений, а также неблагоприятных наследственных изменений для потомства.
Величины ПДК химичecких компонентов в атмосферном воздухе выражаются мг/м3; в природной воде в мг/дм3;в пахотном слое почвы вмг/кг.
|
Эколог, отдав пробу анализируемого вещества на химический анализ, желает знать, вещество объекта анализа содержит фоновые компоненты, либо оно загрязнено. Для этого он проведёт экологический» анализ данных химического анализа большой совокупности проб, отобранных в определенных точках оконтуренного объёма литосферы, гидросферы или атмосферы. С помощью методов теории вероятностей и математической статистики он покажет, что анализируемое вещество относится к природным образованиям или оно искусственного, за счет хозяйственной деятельности, происхождения и является загрязнением. Это решение будет являться обоснованием для проведения соответствующих экологических мероприятий.
| 5 ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕОСФЕРАХ В геосферах химические элементы находятся в живом и неживом органическом и неорганическом веществе в различных химических соединениях. Для специалистов разных областей понятия о формах нахождения элементов, терминология и классификация форм нахождения элементов существенно различаются. Для решения экологических задач необходимо знать формы нахождения элементов в земной коре. Геологи выделяют следующие девять форм нахождения элементов, Эта классификация помогает экологам идентифицировать формы нахождения элементов в органическом и неорганическом веществе природных объектов химического анализа. Эта информация также считается исходной при выборе метода химического анализа отобранных экологом проб вещества. Она позволяет подобрать такой способ подготовки пробы вещества к химическому анализу, который обеспечивает получение достоверных результатов анализа. |
| 1. Самостоятельные минеральные виды (макроминеральная форма)– это форма нахождения элементов в химических соединениях, характерных для минералов. Элементы находятся в кристаллической решётке ионных кристаллов, или в виде ионов, в виде окислов, простых и комплексных солей. Железо, марганец, олово, уран, алюминий содержатся в минералах в виде соединений с кислородом, т. е. в форме окислов. Медь, цинк, свинец, никель, сурьма, ртуть присутствуют в минералах в форме соединений с серой – сульфидов. Магний связан с карбонат-ионами. Макроминеральная форма – важнейшая для литосферы форма существования химических элементов. |
| 2. Изоморфные смеси в минералах (микроминеральная форма)представляют собой закономерное замещение аналогичных элементов друг другом в кристаллических решетках. В этой форме могyт находиться практически все известные элементы, а для части их (Rb, Те, Pr, Nd, Еu, Gd, Тb, Dy, Но, Еr, Тm, Lu, Hf, Re) в литосфере она является преимущественной. |
| 3. Биогенная форма – это форма нахождения элементов в животных и растительных организмах. В живых организмах выявлены уже почти все известные элементы. В растениях и в животных элементы встречаются в виде сложных органических соединений. Многие металлы, реагируя с природными органическими кислотами, образуют металлоорганические или комплексные органо – минеральные соединения. В межклеточной воде элементы находятся в виде неорганических солей. Большой материал накоплен по особенностям распределения элементов в различных частях растений и животных. |
| 4. Водные растворы составляют отдельную оболочку Земли, называемую гидросферой. В поверхностных и подземных воды элементы могут находиться в виде ионов, органических, неорганических или металлоорганических молекул, органических комплексных соединений, или комплексных органо – минеральных соединений или групп различных комплексных соединений, объеденённых межмолекулярными силами в кластеры. Основная часть элементов в связи с процессами диссоциации в растворах представлена анионами и катионами. Анионы в основном комплексные, катионы бывают связаны с молекулами воды в аквакомплексы. Распад на ионы наблюдается при растворении в воде веществ с ионной, металлической и ковалентной связью. Довольно много элементов переносится в природных водных растворах (в том числе и гидротермальных) в виде комплексных соединений с нейтральными молекулами или ионами противоположного знака. |
| 5. Гaзoвыe смеси составляют верхнюю оболочку Земли – атмосферу.Постоянные компоненты атмосферного воздуха – это N2, О2, СО2, Ar, Ne, Кr, Хе, Н2, Не, СН4, Н2О. На газовых и нефтяных месторождениях npeобладают газы СО2, СН4, Ar, N2, Не, Н2, H2S; на каменноугольных месторождениях – СН4, С2Н6, С3Н8, Н2, CO2, N2. В водах морей и современных осадков обнаружены газообразные углеводороды, H2S, NH3, N2, СО2, благородные газы. Газы магматических пород содержат газообразные углеводороды, N2, СО2, Н2, Аr; вулканические газы – HCl, SO2, H2S, СO2, Н2, Cl2, N2, Ar, SО3, СН4, СО. Над урановыми рудами собирается газ радон. Подавляющее большинство газов находится в виде молекул, однако в верхних слоях атмосферы встречаются атомы и ионы. Значительное количество газов находится в пустотах и полостях осадочных и магматических пород почв в сорбированном состоянии, в виде включений в минералах. Над ртутными минералами концентрируются ртутные газы. |
| 6. Коллоидная и сорбированная формы.Коллоиды широко распространены в океанических и континентальных водах, в атмосфере и на суше. Коллоидное состояние веществ гетерогенно, то есть в нем химические соединения находятся или в разных агрегатных состояниях, или в разных фазах, отличающихся своими физическими или химическими свойствами. При этом одна из фаз состоит из частиц размером менее 100 мкм (дисперсная фаза), распределенных в дисперсионной среде. В общем случае дисперсные фазы, как и дисперсионные среды, могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Системы с твердой дисперсной фазой и с жидкой дисперсионной средой представляют собой суспензии (в них размер частиц дисперсной фазы больше 0.1 мкм) и золи (в них размер частиц дисперсной фазы порядка 0.1 – 0.001 мкм). Вся литосфера представляет собой суспензии. Это: почвы и грунты; вода природных и искусственных водоемов. Водные суспензии представляет собой взвеси или мути с размером частиц дисперсной фазы 10 – 50 мкм. Большое практическое значение в геологии имеют технологические суспензии. Например, глинистые суспензии используют при бурении скважин. Для геохимических анализов важен случай, когда дисперсная фаза твердая и представлена металлами (Au, Аg, Pt, Bi, Sn и др.), гидроксидами металлов (Fе(ОН)3, Al(ОН)3, Ti(OH)4 и др.), оксидами (МnО2, SiO2 и др.), сульфидами (PbS, SЬ2S3, As2S3 и др.). Эти частицы адсорбированы на поверхности глинистых минералов (галлуазите, каолините, монтмориллоните и др.). Системы с жидкой дисперсной фазой и с жидкой дисперсионной средой представляют собой эмульсии (в них размер частиц дисперсной фазы порядка 0.1 мкм). Сырая нефть – это дисперсия воды в масле. Системы с газообразной дисперсионной средой называются аэрозолями. Разновидность аэрозоля – пыль. Пыль представляет собой твердую дисперсную фазу с размером частиц 1 – 100 мкм, распределенную в газообразной дисперсионной среде. В атмосфере твердые дисперсные фазы чрезвычайно широко распространены в виде аэрозолей. Из-за высокой степени дисперсности и большой суммарной поверхности дисперсной фазы коллоидные системы облaдaют повышенным запасом свободной поверхностной энергии. Ее самопроизвольное уменьшение приводит к сорбции (концентрированию веществ на поверхности paздела фаз). Аэрозоли по содержанию в них металлов можно разделить на две группы: первую, содержащую элементы Zn > Cu > Мn > Cr > Рb > V > Ni > Аs; и вторую, содержащую элементы Cd > Se > Со > Hg > Sb > Sc. Во второй группе концентрация элементов примерно на порядок ниже, чем в первой. В целом над континентами в виде аэрозолей содержатся тысячи тонн химических элементов первой группы и сотни тонн второй. Аэрозольные съемки активно используют в экологии и геоэкологии. |
| 7. Магматические расплавы – это сложные, изменчивые (в связи с изменением термодинамических условий), насыщенные парами воды, углекислым и сернистым газами, хлором и другими летучими соединениями вещества. Состояние элементов в них до сих пор является плохо изученным. Магма – это расплав, состоящий из химических соединений, представляющих, главным образом, оксиды кремния, алюминия, железа, магния, кальция, натрия и калия. В меньшем количестве в расплаве содержатся оксиды титана и марганца. Основные магмы обогащены магнием, железом и титаном. В составе кислых магм значительно больше двуокиси кремния, алюминия и щелочных металлов и меньше магния и железа. В магме находятся также комплексы металлов, соответствующие будущим минералам. Считается, что в магме существуют два основных вида комплексов: октаэдрические группы (среди них преобладают [MgO6] и [СаО6]) и тетраэдрические (преобладают [SiO4] и [AlО4]). Кроме них предполагается существование свободных подвижных катионов, атомов растворенных металлов, соединений типа FeS и Fе3О4, являющихся в какой-то мере электронными жидкостями, а также отдельных молекул (прежде всего газообразных). |
| 8. Состояние рассеяния. Оно представляет особую форму нахождения химических элементов земной коры. Предполагают, что состояние рассеяния связано с расположением инородных атомов в «пустых» пространствах кристаллических решеток химических соединений. Содержание элементов в состоянии рассеяния достигает 10-12 – 10-15 %, а пределом рассеяния можно считать нахождение 1 атома в 1 смЗ вещества. Рассеянные элементы находятся в земной коре в больших количествах, но нет месторождений. Огромные массы Rb рассеяны в полевых шпатах, Ga – в алюминиевых минералах, Re – в молебденитах, Sc – в силикатах, Li – в слюдах и т.д. Благоприятствует чрезвычайному рассеянию элементов атмосфера – газ, попавший в смесь других газов, полностью в ней растворяется. Для ряда газообразных элементов (ксенона, радона и др.) состояние рассеяния–естественное состояние. |
| 9. Техногенные соединения. Техногенные соединения, не имеющие природных аналогов, чаще всего встречаются в почвах, донных отложениях и поверхностных водах (объект анализа в геоэкологии). Особенно много их в энергично осваиваемых сельскохозяйственных районах и участках вблизи крупных промышленных комбинатов. Рассматриваемая форма нахождения элементов включает различные искусственные полимеры, пластмассы, пестициды, гербициды, поверхностно-активные вещества, сплавы металлов, и т.д. К ней относят соединения (и элементы в самородном состоянии), вообще встречающиеся в природе, но не образующиеся природным путем в тех конкретных условиях, где они были выявлены. |
| 6 ВИДЫ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Согласно толковому словарю русского языка, термин «анализ»означает метод научного исследования путём рассмотрения составных частей чего-либо или всестороннее изучение, рассмотрение чего-либо. Анализ бывает экономический, математический, микробиологический, политический, химический, геологический, экологический и т.д. Вид анализа отражает интерес к определенному свойству или состоянию объекта анализа. Вид химического анализа отражает следующую информацию – зачем определяют химический состав вещества (цель анализа), что анализируют, что определяют и в каких условиях. Существует несколько классификаций по различным признакам видов химического анализа вещества объекта анализа. Признаком вида может служить цель и объект химического анализа, определяемый компонент и его количество. Каждая цель анализа будет охарактеризована конкретной совокупностью видов анализа. |
| 1. По структурным образованиям определяемых компонентов выделяют элементный, изотопный, функциональный, молекулярный, структурно-групповой, фазовый анализ. · Элементный анализвещества объекта анализа – этовид анализа, в результате которого будет определено, из каких химических элементов состоит анализируемое вещество и каково их содержание. Например, в результате проведения элементного анализа многочисленных проб вещества земной коры выявлено, что в её составе наиболее распространены следующие восемь химических элементов, составляющих в сумме свыше 98 % по весу: кислород (46,5 %), кремний (25,7 %), железо (6,2 %), кальций (5,8 %), магний (3,2 %), натрий (1,8 %), калий (1,3 %). Еще пять элементов содержатся в земной коре в количестве десятых долей процента: титан (0,52 %), углерод (0,46 %), водород (0,16 %), марганец (0,12 %), сера (менее 0,11 %). На все остальные элементы приходится около 0,37 %. В Бакчарской руде cодержание элемента железа составляет 29…32 %. Из примесей в ней обнаружены V, Mn, Р, S, Ti, As, Со, Zn, следы Cu, Pb, Ni. Кроме того, обнаружены повышенные концентрации редких и рассеянных элементов – Sc, Мо, Ge, Ве, Zr, Y, U, Th и благородных металлов (Pt до 100 мг/т, Pd до 100 мг/т, Ir до 90 мг/т, Rh до 90 мг/т, Au до 90 мг/т, Ag до 2,5 г/т). Органическое вещество нефти состоит в основном из углерода и водорода. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что отношения между содержанием элементов в нефти варьируются в довольно узких пределах: углерод – 83,0 … 87,0 %; водород – 10,0 … 14,0 %. К сопутствующим компонентам по элементному составу относятся азот – 0,1 … 2,0 %; кислород – 0,05 … 1,5 %; сера – 0,05 … 6,0 %. К следовым компонентам по элементному составу относятся никель, железо, ванадий с содержанием от 0.01 до 0.00001 %. · Изотопный анализ вещества объекта анализа – это вид анализа, в результате которого будет определено, из каких изотопов химических элементов состоит вещество объекта анализа и каково их содержание. Такие анализы проводят физики, геологи, биологи. Например, определяют наличие дейтерированной воды D2O (изотоп 2Н) в обычной воде, а также «тяжелого» кислорода (изотоп 18О) в смеси с распространенным изотопом 16О. · Функциональный анализвещества объекта анализа. Для органического вещества это вид анализа, в результате которого будет определено, какие функциональные группы содержат органические соединения, входящие в состав анализируемого органического вещества. Функциональные группы органических соединений, например, метильная, карбоксильная, гидроксильная, аминная и др., определяют химические свойства (функцию) органических соединений. По наличию определённых функциональных групп органические соединения подразделяют на классы (предельные и непредельные углеводороды, альдегиды, кетоны, спирты, карбоновые кислоты и т.д.). Функциональный анализ органического вещества проводят, в основном, в том случае, когда анализируемое вещество относится к чистым, то есть к таким, содержание основного компонента в котором больше 95 %. Для неорганического вещества это также вид анализа, в результате которого будет определено, какие катионы и анионы содержат неорганические молекулы анализируемого неорганического вещества и каково их количество. Наличие в неорганических молекулах различных катионов и анионов определяют химические свойства (функцию) неорганических соединений. Функциональный анализ пробы вещества на содержание неорганических катионов и анионов можно проводить при любых их содержаниях – от десятков % до 10-8 %, так как вариантов структурных образований в виде неорганических катионов и анионов из существующих элементов намного меньше, чем сочетаний функциональных групп органических соединений. Например, многочисленные результаты функционального анализа внутриматериковых вод говорят о том, что в них преобладают такие катионы как Ca2+, Na+, Mg2+, (Fe3+, Al3+) и такие анионы как CO32-, SO42- SiO32-, Cl-, NO3-. · Молекулярный анализвещества объекта анализа. Это вид анализа, в результате которого будет определено, из каких конкретных химических соединений состоит вещество объекта анализа и каково их содержание. На сегодняшний день известно более 100 тысяч неорганических и более трёх миллионов органических соединений. Типичным примером молекулярного анализа является анализ газообразного вещества. Например, определение содержания в атмосферном воздухе основных компонентов – газообразных молекул N2, 02, С02, Н2, СН4, Н2О позволяет судить о наличии месторождения нефти или природного газа, так как на газовых и нефтяных месторождениях в атмосферном воздухе преобладают газы С02, СН4, N2, Н2, H2S и их соотношение иное, чем фоновое. Качественный молекулярный анализ проб твердого и жидкого вещества как органической, так и неорганической природы природного происхождения по сравнению с качественным элементным или функциональным относится к очень сложным задачам химического анализа. Это связано с тем, что количество названий химических соединений (молекул) по сравнению с количеством названий элементов и функциональных групп в миллионы раз больше. Поэтому часто при проведении качественного анализа проб такого вещества ограничиваются задачей проведения структурно-группового анализа. · Структурно-групповой анализвещества объекта анализа. Это вид анализа, в результате которого будет определено, есть ли в анализируемом веществе компоненты, обладающие одинаковыми химическими или физическим свойствами и каково их количество. К структурно-групповому анализу вещества объекта анализа может быть отнесен вид анализа, в результате которого будет определено, каково содержание молекул, имеющих определённые функциональные группы в анализируемом веществе объекта анализа. Например, это может быть определение содержания суммы углеводородов, имеющих различное химическое строение, но обладающих одинаковыми химическими свойствами, в 1 дм3 подземной воды в районе нефтяных месторождений. Это может быть определение содержания суммы гуминовых веществ (то есть суммы гуминовых и фульвокислот, образующихся в процессе распада отмирающей водной растительности, имеющих различное химическое строение, но обладающих одинаковыми химическими свойствами) в 1 дм3 воды Васюганского болота. Это может быть определение содержания суммы синтетических поверхностно-активных химических соединений, имеющих различное химическое строение, но обладающих одинаковыми физическими (поверхностно-активными) свойствами в 1 дм3 речной воды за городом, как показатель её загрязнения бытовыми стоками. Определение парафиновых, нафтеновых и ароматических соединений в пробе вещества нефти является структурно-групповым анализом. К парафиновым соединениям относятся насыщенные углеводороды с открытыми или разветвленными цепями, не содержащие кольцевых структур. К нафтеновым (алициклические углеводороды) относятся насыщенные углеводороды, содержащие одну или несколько циклических структур, каждая из которых может иметь одну или несколько боковых парафиновых цепей. К ароматическим соединениям относятся углеводороды, содержащие одно или несколько ароматических ядер, например бензольные, нафталиновые и фенантреновые кольцевые системы, которые могут соединяться с нафтеновыми кольцами и/или парафиновыми боковыми цепями. · Фазовый анализ вещества объекта анализа (молекулярный анализ неорганических веществ). Это вид анализа гетерогенных систем, в результате которого будет определено, сколько фаз присутствуют в веществе объекта анализа, в виде какого химического соединения существуют химические элементы в выделенной фазе. Название фазовый анализ исторически связано со способом выделения части объёма минерала – фазы, состоящей из химически однородных соединений (см. тему 3.5). Анализ включений в минералах – это фазовый анализ. Например, сульфид (CuS) и оксид меди (CuO) не распределены в минерале равномерно (гомогенно), а образуют отдельные фазы в его объёме, что можно увидеть невооруженным глазом как цветовые пятна на поверхности минерала. Проведение анализа отдельных включений требуют применения специальных и весьма трудоемких методов химического анализа. Фазовый анализ имеет большое значение для решения различных геологических, экологических и технологических задач. В частности, результаты фазового анализа используются на стадии разработки технологического способа извлечения элементов из породы или руды в необходимой форме нахождения и, следовательно, возможности его дальнейшего использования. |
| 2. По конечной цели анализавыделяют: · качественный анализвещества объекта анализа –это либо экспериментальное определение химической природы одного или нескольких обнаруженных в веществе объекта анализа компонентов (идентификация, или как называется компонент), либо это обнаружение (есть или нет) определяемого компонента в анализируемом веществе. Задача идентификации неизвестного компонента намного сложнее задачи обнаружения компонента с известным названием. · количественный анализвещества объекта анализа –экспериментальное определение содержания одного или нескольких компонентов в веществе объекта анализа. Результат качественного химического анализа – принятие решения о наличии или отсутствии искомого компонента в пробе вещества объекта анализа. Результат количественного химического анализа– значение количества определяемого (искомого) компонента или его массы, отнесенное к единице массы (процентное содержание компонента) или отнесенное к единице объёма пробы вещества (концентрация компонента) объекта анализа. w(А) = [m (А)/ mвещ]×100, %. Сm(А) =m(А)/Vм.к., г/дм3 |
| 3. По природе и происхождению объекта анализавыделяют: · -- анализ неорганического вещества объекта анализа природного или искусственного происхождения; · -- анализ органического вещества объекта анализа природного или искусственного происхождения |
| 4. По агрегатному состоянию веществавыделяют: · -- анализ твердого вещества объекта анализа; · -- анализ жидкого вещества объекта анализа; · -- анализ газообразного вещества объекта анализа; · -- анализ гетерогенно-фазового вещества объекта анализа. |
| 5. По диапазону определяемых содержаний компонента в пробе анализируемого вещества выделяют: · анализ на содержание главных (100 – 10 %) компонентов; · анализ на содержание сопутствующих (10 – 0,01 %) компонентов; · анализ на содержание следовых (ниже 0,01 %) компонентов; · анализ на содержание микроследовых (ниже 10-6 %) компонентов; · анализ на содержание наноследовых (ниже 10-9 %) компонентов; · анализ на содержание пикоследовых (единичных атомов) компонентов. |
| 6. По числу определяемых компонентов в пробе анализируемого вещества выделяют: · однокомпонентный анализ – вид анализа, отражающий возможность средства измерения получить аналитический сигнал от одного компонента, содержащегося в одной навеске аналитической пробыанализируемого вещества. Любым методом можно выполнить однокомпонентный анализ. · многокомпонентный анализ – вид анализа, отражающий возможность средства измерения получить аналитические сигналы от нескольких компонентов, содержащихся в одной навеске аналитической пробыанализируемого вещества. Многокомпонентный элементный анализ аналитической пробы анализируемого вещества можно выполнить, например, с использованием атомно-эмиссионного спектрометра и рентгено-флуоресцентного спектрометра. Многокомпонентный молекулярный анализ аналитической пробы анализируемого вещества можно выполнить, например, с использованием газового хроматографа с детектором по теплопроводности, с пламенно-ионизационным детектором, с масс-спектрометрическим детектором. |
| 7. По диапазону масс навески аналитической пробы анализируемого вещества выделяют: · макроанализ (масса навески 2 … 0,05 г); · полумакроанализ (масса навески 0,05 … 0,01 г); · микроанализ (масса навески 10 … 0,1 мг); · ультрамикроанализ (масса навески 100 … 10 мкг и менее). |
| 8. По сохранности пробы вещества после проведения её анализавыделяют: · деструктивный анализ вещества объекта анализа –это вид анализа, в результате которого аналитическая проба вещества перед измерениями будет преобразована в другое состояние физическим или химическим способом. Например, проба твердого вещества будет растворена и далее будет определено содержание компонентов в растворе; проба жидкого вещества будет выпарена до сухого остатка и далее будет определено содержание компонентов в этом остатке; к пробе вещества будет добавлен химический реагент и далее будет определено содержание компонентов в продукте химической реакции между определяемым компонентом и добавленным реагентом. · недеструктивный анализвещества объекта анализа–это вид анализа, в результате которого физическое и химическое состояние аналитической пробы либо объекта анализа без отбора пробы не изменяется после проведения анализа. |
| 9. По расположению пробы анализируемого вещества относительно средства измерения выделяют: · контактный анализ – это вид анализа, при котором аналитическая проба анализируемого вещества совмещена со средством измерения. · дистанцuонный анализ – это вид анализа, при котором аналитическая проба анализируемого вещества и средство измерения находятся на расстоянии друг от друга, иногда на значительном (установление распределения естественных радиоактивных элементов радиометром или дозиметром; определение химического состава Солнца по спектру излучения с помощью спектрометра, установленного в солнечной обсерватории). |
| 10. По астрономическому времени проведения измеренийвыделяют: · дискретный анализ вещества объекта анализа – это вид анализа, в результате которого отбирается проба вещества, и она будет проанализирована один или несколько раз. непрерывный анализ вещества объекта анализа – это вид анализа, в результате которого проба не отбирается и имеется возможность выполнять химический анализ вещества объекта анализа с помощью специальных технических устройств периодически либо постоянно в течение длительного периода времени. Непрерывный химический анализ проводят в производствах с непрерывными технологическими процессами (автоматический контроль технологического процесса), при транспортировке нефти по нефтепроводу и природного газа по газопроводу, при наблюдении за состоянием атмосферного воздуха (экологический мониторинг), при добыче угля закрытым способом (непрерывный контроль содержания метана в воздухе угольной шахты). |
| 11. По числу анализируемых проб выделяют: · валовой анализ вещества объекта анализа – это вид анализа, в результате которого будут проанализированы все пробы вещества какой-либо партии на все или некоторые компоненты; · выборочный анализвещества объекта анализа–это вид анализа, в результате которого будут проанализированы несколько проб вещества из какой-либо партии (выборочные пробы, выборка) на все или некоторые компоненты. Термины дискретный и непрерывный,валовой и выборочный химический анализ относятся к организации его проведения. |
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
| Гигиена как наука о взаимодействии человека с окружающей средой. Методы гигиенических исследований. | | | ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ И МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ |
Дата добавления: 2016-06-13; просмотров: 2688;