Раздел 1. Введение

Химический анализ – совокупность действий, которые имеют своей целью получение информации о химическом составе и строении (структуре) объекта.

От уровня химического анализа, оснащённости лабораторий методами, приборами и реактивами зависит развитие многих наук и промышленных производств.

Разведка полезных ископаемых в значительной степени базируется на результатах химического анализа. Выяснение химического состава горных пород и минерального сырья важно для горнодобывающей индустрии. Исключительно быстрый рост горнорудной и металлургической промышленности вызывает вовлечение в сферу производства всё более сложное минеральное сырьё. При этом постоянно повышаются требования к качеству рудных концентратов. Разрабатываются новые металлургические процессы. Становится необходимым всестороннее и детальное изучение вещественного состава как полезных ископаемых так и продуктов металлургической переработки различными физическими и химическими методами исследования.

Научная основа химического анализа – аналитическая химия, наука, которая в течение столетий была частью, а иногда и основной частью химии. В последнее время эта наука в значительной степени изменилась, выросли её возможности, расширились области, которые она охватывает.

Аналитическая химия – это наука о методах и средствах химического анализа и в известной мере установления химического строения.

Каков теоретический базис аналитической химии, какие вопросы теории разрабатываются в этой области знания? Среди таких вопросов: отбор представительных проб, методология автоматизации и математизации методов анализа, подход к химическому анализу в потоке или без разрушения образца, теоретические основы групп методов анализа или отдельных методов – последнее наиболее важно.

Различают элементный, молекулярный и фазовый химические анализы, все виды анализа могут выполняться как на качественном так и количественном уровне.

Количественный элементный химический анализ даёт возможность определить содержание элементов в исследуемом веществе, но не позволяет установить, в виде каких химических соединений эти элементы находятся в данном веществе. Только в сравнительно редких случаях, когда исследуют однородное или почти однородное вещество, по результатам элементного анализа можно судить и о химическом соединении, в состав которого входят найденные элементы. Например, по содержанию железа и серы, кальция и фтора можно узнать, является ли анализируемый материал пиритом, плавиковым шпатом и т.п.

К геологическим объектам анализа относятся руды, горные породы, минералы, нерудные полезные ископаемые, в частности строительные материалы, соли и др. Результаты анализа объектов минерального происхождения необходимы прежде всего геологической службе и отраслям промышленности, потребляющим минеральное сырьё – чёрной и цветной металлургии, химической индустрии, промышленности строительных материалов. В результате аналитических исследований были решены важные геологические проблемы, в том числе открытие новых месторождений.

Разнообразие минерального состава руд и продуктов их переработки, в которых эти элементы находятся в сложных для анализа сочетаниях, сильно затрудняет определение некоторых элементов и вынуждает применять всё более сложные методы анализа. При этом нужно иметь в виду, что содержание элементов, которые необходимо определять различно – от десятков процентов до тысячных и даже десятитысячных долей процента.

В последние годы быстро развиваются физические методы элементного анализа, не требующие разложения образца, в первую очередь рентгеноспектральные и рентгенорадиометрические, позволяющие сравнительно быстро определить многие компоненты и корректировать технологический процесс. Даже классический так называемый силикатный анализ (анализ силикатных пород) выполняют сейчас в основном с использованием физических методов, из которых наиболее перспективен рентгенофлуоресцентный.

В значительной степени развивались полярографический, спектрофотометрический и атомно-абсорбционный физико-химические методы. Они дают более точные результаты по сравнению с физическими, но более длительны, так как при их использовании необходимо разложение образца и во многих случаях отделение мешающих определению компонентов. Атомно-абсорбционный метод в этом отношении наиболее перспективен, так как число мешающих компонентов значительно меньше, и в большинстве случаев анализ объекта можно вести сразу после разложения образца и перевода его в раствор.

Спектрофотометрия применяется как для определений малых концентраций порядка 10^-4% , так и для определения целых и даже десятков процентов. В последнем случае применяется метод дифференциальной фотометрии (МДФ).

Однако, несмотря на развитие новых методов, широкое применение их к анализу разнообразных объектов и для определения самых разных элементов, всё ещё сохраняют значение классические (титриметрические и гравиметрические) методы определения. Так до сих пор нет полноценной замены гравиметрическому методу определения больших количеств кремниевой кислоты, серы, титриметрическому определению многих металлов; в первую очередь следует назвать иодометрический метод определения меди, комплексонометрическое определение железа, свинца, алюминия, кальция и некоторых других металлов. Благодаря автоматизации аналитических операций титриметрические методы сохранят своё значение и в будущем, тем более что в титриметрии можно использовать большое число химических реакций. Эти методы служат для определения средних и больших содержаний элементов и их преимущество, очень ценное для серийных анализов, заключается в простоте оборудования и быстроте выполнения определения.

Задачей фазового (вещественного) анализа является определение содержания соединений элементов, имеющихся в исследуемом веществе. В эту общую задачу входит установление содержания различных одновременно присутствующих соединений одного и того же элемента: например, в материале, содержащем карбонат, сульфат и сульфид свинца, установление содержания каждого соединения свинца. С помощью фазового анализа можно определить также содержание одного и того же элемента, присутствующего в веществе в разной валентной форме, например железа в двух- и трёхвалентной форме.

Фазовый анализ любого вещества должен начинаться с установления его качественного состава. Для этого руду или продукт изучают минералого-петрографическими методами. Часто представление о качественном составе даёт история возникновения материала, в особенности это справедливо для металлургических объектов и для горных пород вулканического происхождения. Для установления качественного фазового состава следует проводить микроскопическое исследование. Существенную помощь в установлении фазового состава даёт дифференциально-термический анализ – наблюдение экзо- и эндотермических эффектов потери воды, термической диссоциации, полиморфных превращений, характерных для отдельных соединений. Весьма интересные данные даёт рентгенографическое исследование, так как сопоставление дифрактограммы исследуемого вещества с дифрактограммами эталонов позволяет установить наличие или отсутствие определённых соединений.

Получение точных количественных данных о минеральном составе материала минералого-петрографическим методом невозможно из-за трудоёмкости анализа – просмотра большого числа шлифов (сотен, а иногда и тысяч), необходимого для обеспечения нужной точности измерений и подсчётов. Рентгеновский метод фазового анализа для получения количественных данных малочувствителен (порядка 2-3%), особенно при изучении многофазных систем, которыми являются руды и продукты их переработки.

Количественный химический фазовый анализ минерального сырья состоит из двух главных операций: 1) обработки материала селективным растворителем для перевода в раствор определённой фазы – соединения элемента; 2) определение содержания этого элемента в полученном растворе. Это один из самых сложных разделов аналитической химии.

Разработка методик количественного химического фазового анализа начинается с отбора чистых минералов, их анализа и идентификации различными методами. Далее основные усилия исследователей направляются на подбор селективных растворителей, что связано с многими сериями опытов на минералах, смесях и рудах. Фактически разработка методик фазового анализа ведётся опытным путём. Следует особо подчеркнуть, что фазовый анализ каждой новой руды или нового продукта переработки является своего рода исследовательской работой.

В заключение отметим, что надо различать часто встречающиеся понятия метод анализа и методика анализа.

Под методом анализа понимают достаточно универсальный и теоретически обоснованный способ определения состава безотносительно к определяемому компоненту и (обычно) к анализируемому объекту. Когда говорят о методе анализа, то имеют в виду принцип, положенный в его основу, количественное выражение связи между составом и каким-либо измеряемым свойством; отработанные приёмы осуществления, включая выявление и устранение помех; устройства для практической реализации и способы обработки результатов измерений.

Методика анализа – это подробное описание анализа данного объекта на заданные компоненты с использованием выбранного метода. Не бывает методик без указания определяемых или обнаруживаемых компонентов, объекта анализа и применяемого метода. Примерами могут служить методика полярографического определения кадмия в жаропрочной стали, методика хроматографического определения фенола в речных водах.