Учебное пособие 2150

элементов, а затем внутри этих групп проводили открытие отдельных элементов.

Определение примесей порядка 106 % и менее стало повседневной потребностью многих отраслей промышленности, поскольку от содержания примесей на этом уровне стало зависеть качество продукции. Эти сложные задачи были решены путем использования новых методов разделения, концентрирования и определения. Наибольшее практическое значение приобрели экстракционные, хроматографичекие, оптические и электрохимические методы. Интенсивно развиваются в последнее время атомноабсорбционная спектроскопия, рентгенофлуоресцентные и резонансные методы, кинеические методы анализа и некоторые другие. Современная аналитическая химия приобретает новые черты: она становится экспрессной, точной, автоматизированной, способной проводить анализ без разрушения и на расстоянии.

Значение аналитической химии

Аналитическая химия имеет важное научное и практическое значение. Почти все основные химические законы были открыты с помощью методов этой науки. Состав различных материалов, изделий, руд, минералов, лунного грунта, далеких планет и других небесных тел установлен методами аналитической химии, открытие целого ряда элементов периодической системы оказалось возможным благодаря применению точных методов аналитической химии.

Большое значение имеет анализ материалов входе технологического процесса, например контроль за плавкой в металлургической промышленности или полнотой извлечения в гидрометаллургических производствах, позволяющий на ходу устранять понижающие неполадки. Не менее важную роль играет аналитическая химия в геологии, геохимии, сельском хозяйстве, фармацевтической, лакокрасочной,

11

нефтехимической и многих других отраслях промышленности.

Без анализа почв, удобрений и других объектов. не возможна интенсификация сельского хозяйства. Особое значение приобретает анализ почв на содержание микроэлементов и обоснованное внесение недостающих компонентов для повышения урожайности.

Заметно возросла роль аналитической химии в связи с тем, что больше внимания стало уделяться состоянию и контролю над загрязнением окружающей среды, контролю над технологическими выбросами, сточными водами. В России и многих других странах организована специальная общегосударственная служба наблюдения и контроля над уровнем загрязнения объектов окружающей среды. Эта служба контролирует загрязнения воздуха, почв, речных и морских вод. Объектами наблюдения являются также атмосферные осадки. Критериями качества воздуха, почв и вод являются предельно допустимые концентрации (ПДК).

Аналитическая химия играет огромную роль в научном и техническом прогрессе, в значительной степени способствуя развитию многих естественных наук. Например, геохимии, геологии, минералогии, физики, биологии, агрохимии, металлургии, медицины. Аналитические определения необходимы при выполнении любой научно-исследовательской работы по химии и другим естественным наукам. Экспериментальная работа в области многих сельскохозяйственных наук связана с разработкой новых методов анализа удобрений, пестицидов, гербицидов, ядов; для изучения состава почв, воды и воздуха, контроля качества продукции растениеводства и животноводства. Методами аналитической химии пользуются биологические, медицинские науки. Например, по данным анализа крови, желудочного сока врачи судят о состоянии здоровья человека. На основании химического анализа геологами ведутся поиски полезных ископаемых. На основе

12

многочисленных определений изотопного состава рудных свинцов и метеоритов установлен возраст земной коры (4,5•109лет) и солнечной системы (более 5•109лет). Анализ ничтожных количеств проб, взятых с произведений искусства, дал в руки историков ключ к разгадке материалов и техники работы художников прошлого, а также важный способ обнаружения подделок. В настоящее время развивается аналитическая космохимия, которая изучает распространение элементов в космических телах. Например, в лунном грунте с высокой точностью определено содержание 65 элементов.

Особое значение аналитическая химия имеет для развития различных отраслей промышленности и техники. В науке и технике используются вещества различной чистоты, поэтому одной из важнейших задач современной аналитической химии является контроль чистоты технически важных веществ. Различают главный компонент (основу) и примеси других веществ. Термин «следы» соответствует содержание примесей 10-1 -10-3 %, «микроследы» - 10-3 -10-6 %, «ультрамикроследы» - 10-6 -10-9 % и «субмикроследы» - менее 10-9 %. Вещества с содержанием примесей 10-7-10-9 % принято называть «особо чистыми». В металлургии чистоту металла характеризуют массовой долей (в %) основного вещества. Например, если указано, что чистота металла 99,9999 % , то это означает, что количество примесей в нём порядка 10-4 %. Периодический количественный анализ в процессе выплавки стали позволяет получить материал с заданной прочностью, твёрдостью, ковкостью или антикоррозийными свойствами.

На достижениях аналитической химии основывается тщательный и постоянный контроль химического состава сырья, полупродуктов и готовой продукции. Высококачественный химический контроль, как отдельных стадий технологических процессов, так и всего производства в целом обеспечивает его максимальную производительность, безаварийность, наибольшую рентабельность. Автоматическое управление или контроль (физико-

13

химические методы анализа) даёт возможность при помощи специальных приборов (газоанализаторы, электронные, спектральные, электрохимические) поддерживать постоянное значение заданных параметров в отдельных звеньях сложной цепи химико-технологических процессов или изменять их в нужном направлении, что облегчает труд человек и удешевляет стоимость продукции.

Таким образом, в настоящее время трудно назвать области естествознания, промышленности или техники, где аналитическая химия не была связана с практикой и не обеспечивала бы в тесном взаимодействии с производством решение главнейших теоретических проблем и важнейших народно-хозяйственных задач.

Подводя итог можно отметить, что аналитическая химия тесно связана с жизнью человека на всех этапах: начиная от контроля качества и состава продуктов питания, правильности технологического процесса, здоровьем человека (все лабораторные исследования крови и др. физиологических компонентов), медициной и заканчивая криминалистикой.

Химический контроль производства

На крупных промышленных предприятиях для обеспечения достойного качества серийно выпускаемой продукции существуют специальные экологические службы контроля, которые проводят анализ сырья и качества готовой продукции. Основным нормативом, на который опираются специалисты при проверке сырья и продукции, является система ГОСТов и технических условий (ТУ).

ГОСТ (Государственный общественный стандарт) один из основных категорий стандартов в РФ. В ГОСТе на каждый вид выпускаемой продукции четко отражены разрешенные добавки, их состав и количество. ТУ разрешены к действию до тех пор, пока не разработан ГОСТ на данный вид продукции.

14

называемым аналитическим сигналом, который в данных условиях дают конкретные элементарные объекты.

Аналитический сигнал дает информацию качественного и количественного характера. Под качественной информацией понимают сведения о том, какие элементарные объекты вызывают данный сигнал. Таким сигналом может служить выделение осадка, образование окрашенного соединения, появление спектральной линии определенной длины волны. Информация количественного характера представляет собой сведение о количестве этих элементарных объектов. Измеряя массу осадка, интенсивность светопоглощения окрашенного раствора, интенсивность спектральной линии можно определить содержание данного компонента. Количественную информацию даёт интенсивность сигнала. Чем она больше, тем больше в анализируемом материале элементарных объектов, вызывающих этот сигнал. Так, например, при добавлении

раствора, содержащего ионы бария, к раствору с сульфат анионами, выпадает осадок: Ва2+ + SО42- = ВаSО4 ↓.

Сигнал в данном случае – появление осадка. Качественную информацию получают по выделению или отсутствию осадка в определенном интервале концентрации иона-осадителя SО42-. Количественную информацию получают по массе осадка. Анализ вещества проводят с целью установления его качественного или количественного состава.

На рис. 1 показаны аналитические сигналы четырёх компонентов исследуемого вещества. На оси абсцисс отложена величина х. Если исследуется свет, испускаемый при высокой температуре атомами анализируемого вещества, в роли величины х – длина волны . Если исследуется реакция осаждения, x – концентрация иона-осадителя, например SО42-. На оси ординат величина у – интенсивность этих сигналов. Компоненты 1 и 2 дают раздельные сигналы, которые могут быть использованы для их качественного обнаружения – величины Х1 и Х2 и количественного

16

определения – величины Y1 и Y2. Сигналы компонентов 3 и 4 перекрываются, и их определение невозможно, так как компонент 3 мешает определению компонента 4 и наоборот. В подобных случаях применяют маскирование компонента (например, компонент 3), то есть создают такие условия, в которых этот компонент сигнала не даёт, и проводят определение компонента 4. Если маскирование не приводит к желаемому результату, выбирают другой метод (рис. 1б), который даст раздельные сигналы, компонентов 3 и 4.

Рис. 1. Сигналы, получаемые при выполнении анализа

двуметодамия (а, б): 1, 2, 3, 4 – четыре вида элементарных объектов

Основная характеристика метода количественного определения – физическая величина, используемая в качестве меры интенсивности аналитического сигнала.

По происхождению сигнала аналитические методы

классифицируют на химические, физико-химические и физические (рис. 2) способы. Приведённая классификация не охватывает все аналитические методы, используемые современной наукой и промышленностью, перечислены только наиболее распространённые из них. Существуют также группы методов, разработанных для решения специальных задач, например:

17

1. Анализ малых количеств веществ – микрохимический анализ;

2.Определение числа и состава отдельных фаз гетерогенной системы – фазовый анализ;

3.Анализ в отдельных точках объекта – локальный

анализ;

4.Контроль изменений состава объекта в ходе технологических процессов – непрерывный анализ;

5.Определение состава объекта на расстоянии –

дистанционный анализ; 6. Анализ объекта без нарушения его

формы, свойств и структуры поверхности – неразрушающий анализ.

В химических и физико-химических методах анализа используются свойства элементов, зависящие от валентных электронов. В физических методах используются свойства элементов, зависящие от электронов внутренних слоев и ядерных уровней атома.

1. Химические методы основаны на химических превращениях исследуемого вещества, протекающих с образованием или участием малорастворимых соединений, слабых электролитов, окрашенных комплексов или газообразных веществ.

Химические процессы, используемые в целях анализа,

называют аналитическими реакциями.

К аналитическим реакциям предъявляются специальные требования, которые зависят от задач выполняемого анализа.

Химические методы считаются классическими и тщательно выверены практикой. Тем не менее, во многих случаях оперативность, точность или чувствительность этих методов недостаточна – например, при контроле чистоты материалов для полупроводниковой электроники или атомной энергетики, при анализе быстро изменяющихся объектов, при исследовании объектов, с которыми невозможен непосредственный контакт или недопустимо разрушающее

18

воздействие. В таких ситуациях используют физические или физико-химические методы.

К классическим (химическим) методам относят такие методы, в которых аналитический сигнал возникает в результате протекания химических реакций, а фактором интенсивности служит масса (гравиметрия) или объём (титриметрия).

Химические методы – в основе лежит необратимая химическая реакция. Для того чтобы по реакции стало возможным провести химический анализ, необходимо, чтобы она сопровождалась какими-либо внешними воздействиями:

–выпадение осадка;

–выделение газов;

–цветные реакции:1. появление окраски;

2.ее исчезновение;

3. ее изменение.

Пример:

.

Белый кристаллический осадок (еще бывают аморфные) образуется мгновенно (во времени). Затем содержимое пробирки делят на 2 части, к одной приливают раствор, содержащий катионы Н+, ко второй анионы . Если осадок

не растворился нигде, следовательно, делают вывод о том, что – это катионы – кристаллический осадок, не

растворимый ни в кислотах, ни в щелочах).

2. Физико-химические методы – сочетают в себе как химические реакции, так и физические явления,

которыми они сопровождаются.

Физико-химические методы основаны на изменении физического свойства системы в процессе химической реакции. Спектрофотометрия: измерение А = ε•λ•с. Физические и физико-химические методы относят к инструментальным методам анализа.

19

Рис. 2. Классификация методов аналитической химии

20