Метрологічні основи аналітичної хімії

Будь-яка методика хімічного аналізу має своє завдання: вилучення інформації про речовину з використанням тих чи інших засобів вимірювання. Таким чином, аналітична методика є складною, багатостадійною вимірювальною процедурою. Саме на стадії вимірювання (і подальшої обробки і інтерпретації результатів) яскраво проявляється глибока внутрішня єдність найрізноманітніших аналітичних методів, а закономірності вимірювання хімічних величин мають фундаментальне значення для всіх розділів аналітичної хімії, становлячи, по суті, її філософский базис. Вивченням загальних питань, зв’язаних з вимірюваннями, обробкою і інтерпретацією результатів хімічного аналізу займається спеціальний розділ аналітичної хімії, який називається хімічною метрологією.

Хімічні величини, способи їх вираження і вимірювання. Аналітичний сигнал, градуювальна функція.

Основною хімічною величиною є кількість речовини (n), а основною одиницею її вимірювання – моль. За визначенням, 1 моль – це кількість речовини, яка містить стільки частинок, скільки атомів міститься в 0,012кг ізотопної чистої простої речовини ¹²С (воно рівне приблизно 6,02045∙10²³ штук). Таким чином, за змістом кількість речовини є числом частинок, з яких складається речовина. Цю величину не слід ототожнюванити ні з масою, ні з об’ємом, ні з будь-якими іншими фізичними характеристиками.

Поряд з кількістю величини в хімії широко застосовують і похідні від неї величини. Найважливіша з них – концентрація (с), яка представляє собою кількість речовини в одиниці об’єму V:

(1)

Найбільш вживана одиниця вимірювання концентрації – моль/л (М). Надалі всі хімічні величини – як і саму кількість речовини, так і похідні від неї – ми будемо позначати збірним терміном «зміст».

З визначення поняття «кількість речовини» виходить, що прямі, безпосередні вимірювання хімічних величин неможливі. Дійсно: безпосередньо виміряти кількість будь-якої речовини в зразку означало би перерахувати в ній поштучно всі частинки певного сорту, що технічно здійснити неможливо. Однак, існує багато фізичних величин, цілком доступних прямим вимірюванням і функціонально зв’язаних з вмістом речовини. Наприклад, для любої чистої речовини її маса (m) пропорційна її кількості:

(2)

(коефіцієнт пропорційності – молярна маса М). При титруванні кількість речовину, яку визначають, зв’язана з об’ємом стандартного розчину титранту V_Т концентрацією с_Т:

(3)

Для забарвлених розчинів існує зв'язок між концентрацією світло поглинаючої речовини і оптичною щільністю А:

(4)

(основний закон поглинання світла). І так дальше. Коротше кажучи, ледь не кожна механічна, оптична чи електрична величина може при тих чи інших умовах бути зв’язаною з вмістом речовини – і, таким чином, бути використана для її визначення. В загальному випадку така фізична величина називається аналітичним сигналом (у). Функціональний зв'язок між аналітичним сигналом і змістом (наприклад, концентрацією) можна представити як

(5)

Функція f, яка пов'язує зміст і аналітичний сигнал, називається градуювальною функцією.

Загальна ідея вимірювання вмісту речовини полягає в наступному:

1. Встановлення градуювальної функції f.

2. Вимірювання аналітичного сигналу аналізованого зразка у.

3. Знаходження за величиною у з допомогою функції f зміст компоненту, який визначається с.

Таким чином, всі вимірювання хімічних величин являються непрямими, заснованими на використанні градуювальної функції. Зважаючи на ключову роль градуювальної функції в процесі хімічних вимірювань розглянемо це поняття детальніше.