Основы физико-химических (инструментальных) методов анализа

§ 1. Особенности физико-химических методов анализа

Выполнение количественных определений весовым и объемным (титриметрическим) методами химического анализа иногда связано с большими трудностями (см. книга 2, «Введение», § 3), .главными из них являются:

1) необходимость предварительного отделения определяемой части от примесей;

2) сравнительно небольшая чувствительность, ограничивающая применение классических методов для анализа малых количеств 'опре­деляемых элементов;

3) большие Затраты времени (Особенно в весовом методе) на про­ведение полного анализа.

Физико-химические методы отличаются повышенной по сравнению с классическими методами чувствительностью и избирательностью, по­этому для анализа физико-химическими методами, как правило, тре­буется незначительное количество анализируемого вещества, а содержа­ние определяемого элемента в образце может бить чрезвычайно мало.

При выполнении анализа физико-химическими методами во многих случаях отпадает необходимость Отделения определяемых компонентов от других составных частей анализируемого вещества, а также необхо­димость применения индикаторов. Для проведения анализа физико-хи­мическими методами иногда требуется несколько минут.

Таким образом, физико-химические методы анализа отличаются эксирессностью, избирательностью, высокой чувствительностью.

§ 2. Области применения инструментальных методов анализа

Инструментальные методы анализа используются в различных об­ластях науки и техники. Можно назвать следующие примеры примене­ния этих методов:

химико-аналитический контроль с целью обеспечения вптимально-сти химико-технологических процессов, автоматизации и сбора необхо­димой информации о состоянии отдельных звеньев физико-химических и технологических процессов;

выполнение научно-исследовательских работ в области химии и хи­мической технологии с целью получения объективной информации о течении реакций, оценки выходов продукции и чистоты получаемых соединений, определения побочных продуктов, наличия примесей в ис­ходных, промежуточных и конечных продуктах реакции, изучения свойств и строения веществ и т.п.;

экспериментальная проверка теоретических положений и разра­ботка новых теорий в различных областях химической науки;

анализ веществ высокой чистоты и специальных технических мате­риалов, применяемых в различных областях новой техники;

безындикаторное (инструментальное) титрование водных и неводных растворов;

массовые анализы минералов, силикатов, разнообразных полезных ископаемых неорганического и органического происхождения, метеори­тов, редких и рассеянных элементов, металлов, сплавов, неметаллов, монокристаллов.

§ 3. Анализ веществ высокой чистоты

Развитие разнообразных областей химии, физики, радиоэлектро­ники, атомной энергетики, лазерной техники и других отраслей новой техники, в которых используются, вещества высокой чистоты, неразрыв­но связано с применением высокочувствительных методов анализа металлов, неметаллов и их соединений, сплавов, интерметаллических соединений, люминофоров, мономерных и полимерных органических со­единений и т.д.

Самые незначительные примеси (порядка 10^-5—10^-8%) посторон­них элементов или их соединений делают материалы непригодными для применения их в новой технике. Например, присутствие в специальных сплавах миллионных долей процента примесей некоторых элементов резко снижает их качество; незначительные посторонние включения делают многие металлы очень хрупкими, тогда как после тщательной очистки эти металлы становятся вязкими, ковкими и пластичными. Со­держание в полупроводниковых материалах из особо чистых элементов и их соединений самых минимальных количеств посторонних элементов приводит к полной непригодности их для радиоэлектроники; так в кремнии и германии, применяемых в производстве электронных при­боров, содержание посторонних примесей не должно превышать 10^-7%, а в некоторых случаях не должно превышать одного атома примеси на миллиард атомов кремния или германия.

Бурно развивающаяся новая техника потребовала быстрого совер­шенствования методов анализа. Однако классические методы анализа вследствие их малой чувствительности часто оказываются совершенно непригодными для определения малых количеств примесей. Возникшая проблема разработки методов определения ультрамалых количеств при­месей оказалась практически разрешенной широким использованием разнообразных физических и физико-химических методов анализа: хроматографии, ионного обмена, экстракции, спектроскопии, люминесцент­ного анализа, полярографии, рентгеноскопии, масс-спектрометрии, радиометрических, кинетических и других методов анализа, основанных на применении прецизионных физических и физико-химических при­боров.

Чувствительность и точность определении. По чувствительности первое место занимают масс-спектральнйй и радиоактивационный ме­тоды анализа. За ними следуют широко применяемые спектральной, спектрофотометрический и полярографический методы.

Для сравнения приведем чувствительности определения некоторых элементов различными методами: объемным можно легко определить около 10^-1%; весовым около l0^-2%, спектроскопическим и фотоколори­метрическим 10^-3—10^-5%); флуорометрическим 10^-6—10^-7%; кинетиче­скими 10^-6—10^-8%; радиохимическими 10^-8—10^-9%; методом нейтрон­ного активационного анализа определяют многие примеси в количе­ствах, менее 10^-8—10^-9%.

Например, алюминий можно определить методом амперометрического титрования в том случае, если его количество превышает 200 мкг/мл; методом пламенной фото­метрии — 20 мкг/мл; спектральным — 0,2 мкг1мл; спектрофотометрическим — 0,002 мкг/мл; активационным — 0,00002 мкг/мл. Другими словами, чувствительность указанных методов превышает чувствительность метода амперометрического титрова­ния приблизительно в 10; 1000; 100000 и 10000000 раз соответственно.

По точности многие физико-химические методы анализа уступают классическим, и особенно весовому методу. Нередко, когда весовым и объемным методами достигается точность, определяемая сотыми и десятыми долями процента, при выполнении анализа физико-химическими методами ошибки определений составляют 5—10%, а иногда и значи­тельно больше.

На точность определении (помимо ошибок взвешивания и объемных измерений) в зависимости от метода анализа оказывают влияние раз­личные факторы. Например, на точность эмиссионного анализа оказы­вают влияние:

метод взятия средней пробы анализируемого вещества;

непостоянство источника возбуждения (электрической дуги, искры, пламени горелой);

величина ошибки фотометрического измерения;

негомогенность фотографической эмульсии (в случае спектрогра­фии) и т.д.

По мере уменьшения содержания примесей в данном анализируе­мом объекте точность и воспроизводимость результатов их определения снижается.

При анализе образцов, содержащих ничтожные доли определяемых примесей, естественно, следует прибегать к наиболее чувствительным методам анализа, дозволяющим определять малые количества загрязне­ний (порядка 10^-6—10^-8%). Но в связи с тем, что особо чувствитель­ные методы, как правило, являются менее точными, при анализе высокочистых веществ приходится мириться со снижением точности резуль­татов анализа.

Из этого вытекает важный вывод, что не всегда следует прибегать к- особо чувствительным методам анализа, когда в этом нет необхо­димости.

Поясним это на примере. Если требуется определить с точностью до 10^-1—10^-2% содержание основного компонента (составляющего, на­пример, 50%) в полупроводниковом материале, то в этом случае нет необходимости пользоваться высокочувствительными масс-спектрометрическими, радиоактивационными или кинетическими методами ана­лиза. В подобных случаях нецелесообразно применять сложное и доро­гостоящее оборудование, а вполне достаточно воспользоваться весовым или объемным методами анализа, обеспечивающими указанную точ­ность анализа при большом содержании определяемого элемента. С дру­гой стороны, нельзя определять ничтожное содержание примесей ве­совым или объемным методами, которые при высокой точности отличаются малой чувствительностью.

Помимо относительно невысокой точности многие физико-химиче­ские методы имеют и некоторые другие недостатки. Например, эмис­сионная спектроскопия удобна лишь при, проведении массовых анализов, так как для определения того или иного элемента в образце тре­буется калибровка. прибора по стандартному образцу, занимающая, много времени. Ни один из физико-химических и физических методов анализа не является универсальным.

Необходимо отметить, что, несмотря на прогресс инструментальных методов анализа, позволяющих решать химико-аналитические задачи, неразрешимые обычными методами весового или объемного анализа, классические методы анализа не утратили своего значения, по-преж­нему играют доминирующую роль и являются основой современной аналитической химии.

Нельзя отдать предпочтение тому или иному методу анализа, не учитывая характер исследуемого объекта, его назначение, агрегатное состояние, концентрацию, наличие примесей, цели анализа, требуемую точность определения, срок исполнения анализа и т.д.

Лишь овладев самыми разнообразными методами анализа и соче­тая химические, физические и физико-химические методы анализа, хи­мик-аналитик сможет успешно разрешить любую поставленную перед ним химико-аналитическую задачу.