Тема 9: Фізико-хімічні методи аналізу

План

1. Електрохімічні методи аналізу

Література [1], стор. 297 - 299

2. Фотоколориметричні методи аналізу

Література [1], стор. 303 - 311

4. Потенціометричний аналіз

Література [1], стор. 345 – 352

5. Хроматографічний аналіз

Література [1], стор. 354-362

Методичні поради до вивчення теми

Методи аналізу, що ґрунтуються на вивченні хімічних та фізичних властивостей речовини або їх похідних, називають фізико-хімічними. Результати фізико-хімічного аналізу виражають діаграмами склад – властивості.

Фізико-хімічні методи аналізу часто в літературі називають “інструментальними”, бо вони вимагають застосування приладів, вимірювальних інструментів.

Велике розповсюдження в промислових і дослідницьких лабораторіях одержали електрохімічні, оптичні, радіометричні, хроматографічні, мас-спектрометричні і деякі інші методи аналізу.

Електрохімічні методи аналізу: кондуктометрія, потенціометрія, полярографія, кулонометрія і інші – мають високу чутливість. Ці методи дають можливість легко автоматизувати виконання аналізу. Так, наприклад, кулонометричними методами можна визначати 0,001 – 0,1 мкг/мл марганцю, заліза, срібла; полярографічно можна визначати мікрограмові кількості міді, свинцю, цинку, кадмію і інших елементів.

Потенціометрія – заснована на вимірі потенціалу електрода, зануреного в розчин; величина потенціалу залежить від концентрації йонів.

Про концентрацію визначаємих йонів судять по потенціалу так званого індикаторного електроду. Величину цього потенціалу визначають порівняно з потенціалом іншого електроду – електроду порівняльного.

Із цих електродів (порівняльного і індикаторного), занурених в досліджувальний розчин, складають гальванічний елемент. На приладі (потенціометрі) заміряють електрорушійну силу цього елементу, яка на шкалі приладу виражена в рН.

Потенціал, що виникає на індикаторному електроді (скляний, платиновий) залежить від концентрації йонів в досліджуваному розчині. Інший електрод – порівняльний (каломельний або хлор срібний) не чутливий до йонів розчину, потенціал його постійний.

Оптичні методи. До оптичних методів відносяться: аналіз по світопоглинанню (фотоколориметрія, спектрофотометрія або абсорбційна спектроскопія); спектральний аналіз заснований на використанні спектрів що випромінює аналізуєма речовина в полум’ї, в електричній дузі, а також при фосфоренсенції, флюоресценції або розсіюванні світла; поляриметрія, рефрактометрія і інші.

Найбільш доступні колориметричні методи, які не потребують застосування дуже складних приладів. Цими методами з високою чутливістю можна визначати вміст багатьох елементів, що знаходяться в вигляді домішок. Разом з тим методи абсорбційного спектрального аналізу можна застосовувати для аналізу не тільки домішок, але і основних компонентів досліджуваної речовини. Для цього використовують метод аналізу, що називається диференціальною спектрофотометрією.

Суть методу колориметрії. Люба речовина поглинає і відбиває електромагнітне випромінювання. Речовини, які поглинають випромінювання з довжиною хвилі від 400 до 760 ммк (видиме світло), забарвлені.

Поряд з поглинанням і відбиттям видимого світла для аналізу часто використовують поглинання випромінювання в ультрафіолетовому (200 – 400 ммк) і інфрачервоному (0,8 – 25 мк) частинах спектра. Характер і величина поглинання і відбивання світла залежать від природи речовини і її концентрації в розчині. Це і використовують для якісного і кількісного аналізу оптичними методами.

Залежність між інтенсивністю забарвлення розчину і вмістом в ньому забарвленої речовини описується законом Бугера-Ламберта-Бера і виражається рівнянням:

, де

I – інтенсивність потоку світла, що пройшов через розчин;

I₀ – інтенсивність потоку світла, що падає на розчин;

ε – коефіцієнт поглинання світла - постійна величина, що залежить від природи розчиненої речовини (молярний коефіцієнт поглинання);

с – молярна концентрація речовини в розчині;

h – товщина шару світлопоглинаючого розчину, см.

Фізичний зміст закону Бугера-Ламберта-Бера заключається в слідуючому:

Розчини однієї і тієї ж забарвленої речовини при одинаковій її концентрації і товщині шару, а також при інших рівних умовах поглинають одну і туж долю падаючого на них світла.

Якщо прологарифмувати приведене вище рівняння і змінити знаки на протилежні, то воно прийме такий вигляд:

Величина lg(I₀/I) являється самою важливою характеристикою забарвленого розчину, і її називають оптичною густиною розчину і позначають D:

Таким чином, оптична густина розчину прямо пропорційна концентрації забарвленої речовини і товщині шару розчину.

Для визначення концентрації С забарвленого розчину вимірюють його оптичну густину D за допомогою фотоелектричного колориметра. При цьому світловий потік, проходячи через кювету з аналізуємим забарвленим розчином, попадає на фотоелемент. Останній перетворює світлову енергію в електричну і струм, що виникає, вимірюють чутливим гальванометром. Сила електричного струму, що виникає при дії світлової енергії на фотоелемент, прямо пропорційна інтенсивності освітлення.

Крім оптичної густини досліджуваного розчину D_досл., заміряють (при однаковій товщині шару) оптичну густину стандартного розчину D_ст., концентрація якого точно відома. Концентрацію досліджуваного розчину розраховують за формулою:

С_досл. = (D_досл./D_ст.)·С_ст.

Завдяки швидкості визначень, простоті методики, чутливості і специфічності багатьох реакцій, що застосовуються в колориметрії, вона одержала широке застосування. Найчастіше її застосовують для визначення мікро кількостей (слідів, домішок) різних елементів в ґрунтах, рослинних матеріалах, рудах, сплавах, хімічних реактивах.

Хроматографічні методи займають особливе місце серед фізико-хімічних методів аналізу, являючись перш за все універсальними методами розділення елементів.

Відомі методи сорбціонної, осадочної і розподільної хроматографії. В свою чергу сорбція та хроматографія поділяється на молекулярну і іонообмінну; осадочна – на хроматографію на суміші носій-осаджувач і на йонообмінниках, заряджених йонами осаджувачами.

Важливими видами розподільної і осадочної хроматографії являються відповідні види хроматографії на папері, особливо широке застосування одержала газо-рідинна хроматографія. Тепер є прилади для швидкого аналізу цим методом складних сумішей різних продуктів нафтопереробної і газової промисловості.

Якісний аналіз можна проводити безпосередньо по хроматограмам; для кількісного аналізу хроматографічне визначення служить лише підготовчою операцією, що дозволяє виділити і направити один за другим компоненти аналізуємої суміші в аналізатор - прилад для кількісних визначень.

Так, складні суміші газів розділяються на хроматографічній колонці до якої приєднаний газоаналізатор, що визначає кількість окремих газів по теплопровідності, по термохімічному ефекту або іншим способом.

Використовують іоніти для визначення рідкоземельних елементів і їх аналогів – актиноїдів; застосовують іонообмінний метод, який заснований на тому, що більш важкий елемент виходить в складі комплексу із колонки першим; за ним слідують один за одним більш легкі елементи.

Контрольні запитання для самостійної роботи

1. Назвати основні електрохімічні методи аналізу, та на чому вони засновані.

2. На чому базуються колориметричні методи аналізу?

3. Фізичний зміст закону Бугера-Ламберта –Бера.

4. Що таке оптична густина розчину (D)?

5. Які розчини в колориметрії називають стандартними?

6. Що таке гальванічний елемент?

7. Дайте визначення електродам порівняння. Назвіть їх.

8. Дайте визначення індикаторним електродам. Назвіть їх.

9. В чому суть потенціометричного визначення рН розчину?

10. На чому заснований хроматографічний аналіз.

11. За якими ознаками класифікують хроматографічні методи аналізу?