Основные физико-химические методы анализа

В группе физико-химических методов анализа иногда выделяют физические методы. Однако достаточно строгого и однозначного критерия для этого нет, поэтому выделение физических методов принципиального значения не имеет.

Физические методы основаны на использовании зависимости физических свойств вещества от их химического состава.

Наиболее распространены следующие физические методы анализа:

1. Спектральный анализ основан на исследовании спектров поглощения и испускания исследуемого вещества. Таким методом установлен состав Солнца и звезд.

По интенсивности характеристических спектральных линий судят о количественном составе (1859 г немецкие ученые Бунзен и Кирхгоф).

Излучение света нагретыми твердыми телами можно наблюдать довольно часто. Когда нагревают кусок стали, то он вначале раскаляется и испускает красный свет; при более высокой температуре свечение становится белым. Этот белый свет состоит из всех цветов видимого спектра, такое излучение называется непрерывным. Если нагревать кристаллы NaI, то они испускают желтый свет, т.е. в состав этого излучения входит лишь несколько характеристических типов излучения – Na⁺.

Природа излучения различна для различных веществ. Наиболее часто наблюдается линия испускания, соответствующая переходу из первого возбужденного состояния в основное, т.е. в состояние с наименьшей энергией. Подобную линию называют резонансной.

Преимущества метода:

– низкий предел обнаружения (до 10⁻⁵%),

– экспрессность,

– для анализа требуется небольшое количество вещества,

– возможность проведения анализа на расстоянии (натриевый пояс Земли на расстоянии 80 км от поверхности был обнаружен этим методом).

Недостатки метода: по точности уступает классическим методам.

Приборы: стилометры, стилоскопы, спектрографы и фоторегистрирующие квантометры.

2. Люминесцентный анализ основан на зависимости интенсивности люминесценции (свечения) от концентрации вещества. Эту зависимость впервые установил русский ученый С.М. Вавилов.

молекула + hν → молекула* (возбужденное состояние)

Эту реакцию можно осуществить за счет:

– света – фотолюминесценция;

– рентгеновских лучей – рентгенолюминесценция;

– радиоактивного излучения – радиолюминесценция;

– химических реакций – хемилюминесценция.

Преимущества метода:

очень низкий предел обнаружения (10⁻⁶ – 10⁻⁸%, иногда до 10⁻⁹%), что весьма эффективно при анализе редких и рассеянных элементов, высокочистых веществ (ИРЕА, Е.А. Божевольнов).

3. Рефрактометрия основан на зависимости показателя преломления от концентрации.

Преломление (рефракция) – изменение направления прямолинейного распространения при переходе из одной среды в другую, при этом происходит взаимодействие света со средой.

Преимущества метода:

– простота выполнения,

– точность до 10⁻³%.

Области применения: определение содержания жиров в пищевых продуктах (зерно, зернобобовые и продукты их переработки, хлебобулочные изделия и т.д.). Метод основан на извлечении жира из навески изделия α-бромнафталином или α-хлорнафталином. Процент жира определяют по разности коэффициента преломления растворителя и раствора жира в растворителе.

4. Денсиметрия основан на зависимости плотности от концентрации.

Царь Гиерон поручил физику Архимеду определить состав золотой короны. Архимед по плотности определил, что она состоит не из чистого золота, а из сплава золота и серебра (Журнал «Наука и жизнь», 1977 г, № 3, с. 155).

Приборы: денсиметр (ареометр).

Имеются таблицы зависимости концентрации от плотности растворов различных кислот, оснований и солей.

Области применения: анализ плотности костей при лечении остеопороза в медицине.

5. Рентгеноструктурный анализ основан на использовании рентгеновских лучей для исследования веществ.

Области применения: анализ сплавов, металлов, строительных материалов.

6. Магнитная спектроскопия. В последнее время метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) нашли широкое применение в аналитической химии.

ЯМР основан на использовании обусловленного ядерным магнетизмом резонансного поглощения электромагнитных волн исследуемым веществом.

ЭПР основан на использовании явления резонансного поглощения электромагнитных волн парамагнитными частицами в постоянном магнитном поле.

7. Атомно-абсорбционный метод основан на способности атомов металлов в газах пламени поглощать световую энергию при определенном значении длины волны.

Преимущества метода: точность до 10⁻¹²%.

Около 70% элементов периодической системы Д.И. Менделеева определены этим методом. Одна из японских фирм изготавливает приборы, позволяющие одновременно определять 71 элемент (данные 1978 г).

Физико-химические методы основаны на изменении физических свойств исследуемой системы, происходящих в результате определенных химических реакций.

Обычно этот анализ проводят титрованием.

В основе термометрического титрования лежит изменение температуры в процессе титрования реакционной смеси, находящейся в термически изолированном сосуде.

Радиометрическое титрование основано на изменении радиоактивности какого-либо компонента исследуемой системы в процессе протекания аналитической реакции.

Физико-химические методы разделяют на:

· спектральные и другие оптические методы (могут выделять отдельно как физические методы);

· электрохимические методы;

· хроматографические методы анализа.

В свою очередь, эти методы включают в себя несколько групп методов (см. табл.1):

Таблица 1