Классификация методов количественного анализа. Основные этапы количественного анализа

Количественный анализ - совокупность методов аналитической химии, задачей которых является определение количественного содержания отдельных составных частей в исследуемом веществе.

В зависимости от объекта исследования различают неорганический и органический анализ. В свою очередь их разделяют на элементный анализ, задача которого - установить, в каком количестве содержатся элементы в анализируемом объекте, на молекулярный и функциональный анализы, дающие ответ о количественном содержании радикалов, соединений, а также функциональных групп атомов в анализируемом объекте.

Методы количественного анализа подразделяются на химические, физико-химические и физические. К классическим химическим методам количественного анализа относятся гравиметрический и объёмный анализ.

Наряду с классическими химическими методами широко распространены физические и физико-химические (инструментальные) методы, основанные на измерении оптических, электрических, адсорбционных, каталитических и других характеристик анализируемых веществ, зависящих от их количества (концентрации). Обычно эти методы делят на следующие группы: электрохимические (кондуктометрия, полярография, потенциометрия и др.); спектральные, или оптические (эмиссионный и абсорбционный спектральный анализ, фотометрия, люминесцентный анализ и др.); рентгеновские; хроматографические; радиометрические; масс-спектрометрические. Перечисленные методы, уступая химическим в точности, существенно превосходят их по чувствительности, избирательности и скорости выполнения.

В данном курсе будут рассмотрены только классические химические методы количественного анализа.

Гравиметрический анализ основан на точном измерении массы определяемого компонента в чистом виде или в виде его соединения. Объёмный анализ включает титриметрический объёмный анализ — методы измерения объёма раствора реагента с точно известной концентрацией, израсходованного на реакцию с анализируемым веществом, и газовый объёмный анализ — методы измерения объёма анализируемых газообразных продуктов.

В ходе количественного анализа можно выделить следующие основные этапы.

1. Отбор, усреднение пробы и взятие навески.Отбор пробы часто определяет общую погрешность анализа и делает бессмысленным применение высокоточных методов. Цель пробоотбора – получить относительно небольшое количество исходного вещества, в котором количественное содержание всех компонентов должно быть равно количественному содержанию их во всей массе анализируемого вещества. Первичная проба отбирается непосредственно из анализируемого объекта путем объединения необходимого числа точечных проб. Способы отбора пробы определяются следующими факторами: агрегатное состояние анализируемого объекта (газ, жидкость, твердое вещество); неоднородность анализируемого материала; требуемая точность оценки содержания компонента по всей массе анализируемого объекта (физиологически активный компонент в лекарстве – бόльшая точность, чем компонент в руде для оценки рентабельности месторождения), возможность изменения состава объекта во времени. Жидкие и газообразные материалы, как правило, однородны, и их пробы уже являются усредненными. Твердые материалы неоднородны по объему, поэтому для их анализа отбирают части вещества из разных зон исследуемого материала. Первичная проба достаточно большая – обычно 1-50 кг, а для некоторых объектов (например, для руды) составляет 0,5-5 т.

Из первичной пробы путем ее сокращения отбирают среднюю (представительную) пробу (обычно от 25 г до 1 кг). Для этого первичную пробу измельчают, перемешивают и усредняют по составу, например, квартованием. При квартовании измельченный материал рассыпают ровным слоем в виде квадрата (или круга), делят на четыре сектора, содержимое двух противоположных секторов отбрасывают, а двух остальных соединяют вместе. Операцию квартования повторяют многократно, пока не будет получено необходимое количество средней пробы.

Из полученного таким образом однородного материала берут навески для анализа, одну часть сохраняют для возможных арбитражных анализов (контрольная проба), другую – непосредственно используют для анализа (анализируемая проба).

Часть анализируемой пробы с точно измеренной на аналитических весах массой называют навеской.Анализируемая проба должна быть достаточно большой, чтобы получить несколько навесок.

2. Разложение (вскрытие) пробы.Этот этап заключается в переводе анализируемой пробы в удобное для анализа агрегатное состояние или соединение. Для перевода пробы в раствор в химических методах ее непосредственно обрабатывают жидкими растворителями (водой, кислотами, щелочами) или после разрушения пробы (путем прокаливания, сожжения, сплавления или спекания) переводят ее в соединения, способные растворяться.

3. Разделение, выделение определяемого компонента и его концентрирование. Так как большинство аналитических методов недостаточно селективно, используют методы разделения анализируемой смеси или выделения из нее определяемого вещества. В случае, когда концентрация определяемого вещества меньше предела обнаружения данного метода или меньше нижней границы его рабочего диапазона, то применяют концентрирование определяемого вещества. Для разделения, выделения и концентрирования используют химические (маскирование, осаждение и соосаждение), физические (методы испарения: отгонку, перегонку (дистилляцию), возгонку (сублимацию) и др.) и физико-химические методы (экстракция, сорбция, ионный обмен, хроматография и различные электрохимические методы, например электролиз, электрофорез, электродиализ и др.).

4. Проведение количественного определения. Все предварительные стадии анализа должны обеспечить получение достоверного результата при проведении анализа. Выбор метода анализа должен основываться на таких показателях, как скорость, удобство, правильность, наличие подходящего оборудования, число анализов, размер анализируемой пробы, содержание определяемого компонента. Сопоставляя чувствительность различных методов и оценивая примерное содержание компонента в образце, химик выбирает тот или иной метод анализа. Например, для определения натрия в силикатных породах используют гравиметрический метод, позволяющий определять миллиграммовые и более высокие количества натрия; для определения микрограммовых количеств того же элемента в растениях и биологических объектах – метод пламенной фотометрии; для определения натрия в воде особой чистоты (нано- и пикограммовые количества) – метод лазерной спектроскопии.

5. Расчеты результатов анализа и оценка результатов измерения - заключительная стадия аналитического процесса. После вычисления результатов анализа важно оценить их достоверность, учитывая правильность использованного метода и статистически обрабатывая числовые данные.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит задача количественного анализа?

2. Перечислите методы количественного анализа.

3. Что такое гравиметрический анализ?

4. В чем сущность титриметрического анализа?

5. Перечислите основные этапы анализа и охарактеризуйте их.

6. Как проводят отбор средней пробы? Что такое квартование пробы?

7. Что такое навеска?

8. Какие приемы используют для вскрытия пробы и выделения из нее определяемого компонента?

Список рекомендуемой литературы

1. Васильев В.П. Аналитическая химия. Кн. 1. Титриметрические и гравиметрический методы анализа. - М.: Дрофа, 2005. - С. 16 – 24.

С.Б. Денисова, О.И. Михайленко