В момента има много специалисти, които са се посветили на физическите или химическите науки, а понякога и на двете. Всъщност повечето явления могат да бъдат логически обяснени именно чрез такива експерименти. Ще разгледаме физическите методи на изследване по-подробно.
Методи за анализ в аналитичната химия
Аналитичната химия е науката за откриване, разделяне и идентифициране на химикали. За извършване на определени операции със съединения се използват химични, физични и физико-химични методи за анализ. Последният метод се нарича още инструментален, тъй като приложението му изисква съвременно лабораторно оборудване. Подразделя се на спектроскопични, ядрена физика и радиохимични групи.
Освен това в химията може да има проблеми от различен тип, които изискват индивидуални решения. В зависимост от това съществуват методи за качествен (определяне на името и формата на веществото) и количествен (определяне на това колко от дадено вещество се съдържа в аликвотна част или проба).
Методи за количествен анализ
Те ви позволяват да определите съдържанието на оригиналното вещество в пробата. Като цяло има химични, физико-химични и физични методи за количествен анализ.
Химически методи за количествен анализ
Те са разделени на:
- Анализ на теглото, който ви позволява да определите съдържанието на вещество чрез претегляне на аналитична везна и извършване на допълнителни операции.
- Анализ на обема, който включва измерване на обема на веществата в различни агрегатни състояния или разтвори.
От своя страна той е разделен на следните подсекции:
- използва се обемен титриметричен анализ при известна концентрация на реагента, реакцията, с която се изразходва необходимото вещество, след което се измерва консумираният обем;
- обемният газов метод е да се анализират газови смеси, при които първоначалното вещество се абсорбира от друго.
- обемната седиментация (от лат. sedimentum - "уреждане") се основава на стратификация от дисперсна система в резултат на гравитацията. Това е придружено от утаяване, чийто обем се измерва с помощта на епруветка за центрофуга.
Химичните методи не винаги са удобни за използване, тъй като често е необходимо сместа да се отдели, за да се изолира желаният компонент. За извършване на такава операция без използване на химични реакции се използват физични методи за анализ. И да наблюдава промяната във физичните свойства на съединението в резултатпровеждане на реакции - физични и химични.
Физически методи за количествен анализ
Те се използват по време на много лабораторни изследвания. Физическите методи за анализ включват:
- Спектроскопичен - базиран на взаимодействието на атоми, молекули, йони на изследваното съединение с електромагнитно излъчване, в резултат на което фотоните се абсорбират или освобождават.
- Ядрено-физичният метод се състои в излагане на проба от изследваното вещество на неутронен поток, чрез изследване на който след експеримента е възможно да се определи количественото съдържание на елементите, съдържащи се в пробата чрез измерване радиоактивно излъчване. Това работи, защото количеството активност на частиците е право пропорционално на концентрацията на изследвания елемент.
- Радиохимичният метод е да се определи съдържанието в веществото на радиоактивни изотопи, образувани в резултат на трансформации.
Физико-химични методи за количествен анализ
Тъй като тези методи са само част от физическите методи за анализ на вещество, те също се разделят на спектроскопски, ядрено-физични и радиохимични методи на изследване.
Методи за качествен анализ
В аналитичната химия, за да се изучат свойствата на веществото, да се определи неговото физическо състояние, цвят, вкус, мирис, се използват методи за качествен анализ, които от своя страна се разделят на едни и същи химически, физични и физико-химични (инструментални). Освен това физическите методи за анализ са предпочитани в аналитичната химия.
Химическите методи се извършват по два начина: реакции в разтвори и реакции по сух начин.
Реакции по мокър начин
Реакциите в разтворите имат определени условия, едно или повече от които трябва да бъдат изпълнени:
- Образуване на неразтворима утайка.
- Промяна на цвета на разтвора.
- Еволюция на газообразно вещество.
Образуването на утайка може да възникне, например, в резултат на взаимодействието на бариев хлорид (BaCl2) и сярна киселина (H2SO4). Продуктите на реакцията са солна киселина (HCl) и неразтворима във вода бяла утайка - бариев сулфат (BaSO4). Тогава ще бъде изпълнено необходимото условие за възникване на химическа реакция. Понякога продуктите на реакцията могат да бъдат няколко вещества, които трябва да бъдат разделени чрез филтриране.
Промяната на цвета на разтвора в резултат на химическо взаимодействие е много важна характеристика на анализа. Това най-често се наблюдава при работа с редокс процеси или при използване на индикатори в процеса на киселинно-алкално титруване. Веществата, които могат да оцветят разтвора с подходящ цвят, включват: калиев тиоцианат KSCN (взаимодействието му със соли на желязо III е придружено от кървавочервено оцветяване на разтвора), железен хлорид (при взаимодействие с хлорна вода, слабият зелен цвят на разтворът пожълтява), калиев дихромат (при редуциране и под действието на сярна киселина се променя от оранжево натъмно зелено) и други.
Реакциите, които протичат с отделяне на газ, не са основни и се използват в редки случаи. Най-често произвежданият въглероден диоксид в лабораториите е CO2.
Сухи реакции
Такива взаимодействия се извършват за определяне съдържанието на примеси в анализираното вещество, при изследване на минерали и се състои от няколко етапа:
- Тест за плавимост.
- Тест на цвета на пламъка.
- Тест за волатилност.
- Способността за редокс реакции.
Обикновено минералните вещества се тестват за способността им да се топят чрез предварително загряване на малка проба от тях над газова горелка и наблюдение на закръгленето на ръбовете им под лупа.
За да се провери как пробата е способна да оцвети пламъка, тя се нанася върху платинена тел първо върху основата на пламъка, а след това върху мястото, което се нагрява най-много.
Летливостта на пробата се проверява в цилиндъра за анализ, който се нагрява след въвеждането на тестовия елемент.
Реакциите на окислително-редукционните процеси най-често се извършват в сухи топчета от разтопен боракс, в които се поставя пробата и след това се подлага на нагряване. Има и други начини за провеждане на тази реакция: нагряване в стъклена тръба с алкални метали - Na, K, просто нагряване или нагряване на въглен и т.н.
Използване на химически индикатори
Понякога методите за химически анализ използват различнииндикатори, които помагат да се определи pH на средата на дадено вещество. Най-често използваните са:
- Лакмус. В кисела среда индикаторната лакмусова хартия става червена, а в алкална - синя.
- Метиоранж. Когато е изложен на киселинен йон, той става розов, алкален - става жълт.
- Фенолфталеин. В алкална среда е характерен за червен цвят, а в кисела среда няма цвят.
- Куркумин. Използва се по-рядко от другите индикатори. Става кафяв с алкали и жълт с киселини.
Физически методи за качествен анализ
В момента те често се използват както в промишлени, така и в лабораторни изследвания. Примери за физически методи за анализ са:
- Spectral, което вече беше обсъдено по-горе. Той от своя страна се разделя на емисионни и абсорбционни методи. В зависимост от аналитичния сигнал на частиците се разграничават атомна и молекулярна спектроскопия. По време на излъчване пробата излъчва кванти, а по време на абсорбцията фотоните, излъчвани от пробата, се поглъщат избирателно от малки частици – атоми и молекули. Този химичен метод използва такива видове радиация като ултравиолетова (UV) с дължина на вълната 200-400 nm, видима с дължина на вълната 400-800 nm и инфрачервена (IR) с дължина на вълната 800-40000 nm. Такива области на радиация се наричат иначе "оптичен обхват".
- Луминесцентен (флуоресцентен) метод се състои в наблюдение на излъчването на светлина от изследваното вещество порадиизлагане на ултравиолетови лъчи. Тестовата проба може да бъде органично или минерално съединение, както и някои лекарства. Когато са изложени на UV лъчение, атомите на това вещество преминават във възбудено състояние, характеризиращо се с впечатляващ енергиен резерв. По време на прехода към нормално състояние веществото свети поради остатъчното количество енергия.
- Рентгенов дифракционен анализ се извършва като правило с помощта на рентгенови лъчи. Те се използват за определяне на размера на атомите и как са разположени спрямо други молекули на пробата. Така се установява кристалната решетка, съставът на пробата и наличието на примеси в някои случаи. Този метод използва малко количество аналит без използване на химични реакции.
- Масспектрометричен метод. Понякога се случва електромагнитното поле да не позволява на определени йонизирани частици да преминат през него поради твърде голяма разлика в съотношението на масата и заряда. За да ги определим, е необходим този физически метод на анализ.
По този начин тези методи са много търсени в сравнение с конвенционалните химически, тъй като имат редица предимства. Въпреки това, комбинацията от химични и физични методи за анализ в аналитичната химия дава много по-добър и по-точен резултат от изследването.
Физико-химични (инструментални) методи за качествен анализ
Тези категории включват:
- Електрохимични методи, които се състоят в измерванеелектродвижещи сили на галванични клетки (потенциометрия) и електрическа проводимост на разтвори (кондуктометрия), както и при изследване на движението и почивката на химичните процеси (полярография).
- Емисионен спектрален анализ, чиято същност е да се определи интензитета на електромагнитното излъчване по честотна скала.
- Фотометричен метод.
- Рентгенов спектрален анализ, който изследва спектрите на рентгеновите лъчи, преминали през пробата.
- Метод за измерване на радиоактивност.
- Хроматографският метод се основава на многократното взаимодействие на сорбция и десорбция на вещество, когато се движи по неподвижния сорбент.
Трябва да знаете, че основно физико-химичните и физическите методи за анализ в химията са комбинирани в една група, така че когато се разглеждат поотделно, те имат много общо.
Физико-химични методи за разделяне на вещества
Много често в лабораториите има ситуации, когато е невъзможно да се извлече необходимото вещество, без да се отделя от друго. В такива случаи се използват методи за разделяне на вещества, които включват:
- Извличане - метод, чрез който необходимото вещество се извлича от разтвор или смес с помощта на екстрагент (съответен разтворител).
- Хроматография. Този метод се използва не само за анализ, но и за разделяне на компоненти, които са в подвижна и стационарна фаза.
- Разделяне чрез йонен обмен. Като резултатжеланото вещество може да се утаи, неразтворимо във вода и след това може да бъде отделено чрез центрофугиране или филтриране.
- Криогенното разделяне се използва за извличане на газообразни вещества от въздуха.
- Електрофорезата е разделяне на вещества с участието на електрическо поле, под въздействието на което частици, които не се смесват помежду си, се движат в течна или газообразна среда.
По този начин лаборантът винаги ще може да получи необходимото вещество.
