Общая характеристика методов анализа, их классификация

Аналитическую химию можно разделить на два больших раздела – качественный и количественный анализ. В задачи качественного анализа входит определение, из каких элементов, атомов или ионов состоит вещество, какие компоненты входят в состав той или иной системы. Количественный анализ позволяет определить, в каком соотношении содержатся данные компоненты в данной системе.

В качественном анализе, в свою очередь, возникло два направления, два варианта исследования – дробный анализ и систематический анализ.
Дробный метод анализа основан на специфических реакциях на отдельные ионы, при таком исследовании образец вещества делят на маленькие пробы (“дробят”) и каждую пробу исследуют в отдельности. Очевидно, что такой метод не слишком удобен, так как специфические реакции требуют, как правило “экзотических” реагентов, да и количество исследуемого вещества может быть небольшим. Эти недостатки отсутствуют у систематического метода анализа.

Систематический метод анализа основан на одновременном обнаружении и разделении компонентов исходной смеси, поэтому после разделения отдельные компоненты не мешают обнаружению друг друга, что значительно облегчает ход анализа.

Существуют разные системы группового разделения ионов: сероводородная, кислотно-основная, аммиачно-фосфатная, тиоацетамидная и т. д. Каждая из этих систем имеет свои преимущества и недостатки. Основным недостатком сероводородной системы является необходимость работы с сероводородом, что требует хорошей вентиляции, склонность к образованию коллоидных сульфидных осадков, в результате чего нарушается разделение катионов на группы, и т. д. В кислотно-основной системе при разделении групп можно встретиться с затруднениями, особенно если концентрации разделяемых катионов сильно различаются. С подобными же затруднениями можно встретиться и в других системах разделения. Сознательный подход к групповому разделению позволяет в каждом конкретном случае использовать для этой цели метод, наиболее подходящий для анализируемой смеси ионов.

Задачей качественного анализа является выяснение качественного состававещества, т.е. из каких элементов или ионов состоит данное вещество. При изучении состава неорганических веществ в большинстве случаевприходится иметь дело с водными растворами кислот, солей и оснований. Эти вещества являются электролитами и в растворах диссоциированы на ионы. Поэтому анализ сводится к определению отдельных ионов — катионов и анионов. При проведении качественного анализа можно работать с различнымиколичествами исследуемого вещества. Имеются так называемые грамм-методы, при котором масса исследуемого вещества берётся более 0,5 г (более 10 мл раствора), сантиграмм-метод (масса исследуемого вещества от 0,05 до 0,5 г, или 1—10 мл раствора), миллиграмм-метод (масса исследуемого вещества от 10^-6 г до 10^-3 г, или от 0,001 до 0,1 мл раствора) и др. Наиболее распространенным является сантиграмм-метод, или полумикрометод.

Основоположником качественного анализа считается Р.Бойль, который ввёл представление о химических элементах как о неразлагаемых основных частях сложных веществ и систематизировал все известные в его время качественные реакции.

Можно выделить три крупных направления аналитической химии: общие теоретические основы; разработка методов анализа; аналитическая химия отдельных объектов. В зависимости от цели анализа различают качественный анализ и количественный анализ. Задача первого - обнаружение и идентификация компонентов анализируемого образца, второго - определение их концентраций или масс. В зависимости от того, какие именно компоненты нужно обнаружить или определить, различают изотопный анализ, элементный анализ, структурно-групповой (в т. ч. функциональный анализ), молекулярный анализ, фазовый анализ. По природе анализируемого объекта различают анализ неорганических и органических веществ.

В теоретических основах аналитической химии, существенное место занимает метрология химического анализа, в том числе статистическая обработка результатов. Теория аналитической химии включает также учение об отборе и подготовке аналитических проб, о составлении схемы анализа и выборе методов, принципах и путях автоматизации анализа, применения ЭВМ, а также основы народнохозяйственного использования результатов химического анализа Особенность аналитической химии – изучение не общих, а индивидуальных, специфических свойств и характеристик объектов, что обеспечивает избирательность многих аналитических методов. Благодаря тесным связям с достижениями физики, математики, биологии и различных областей техники (это особенно касается методов анализа) аналитическая химия превращается в дисциплину на стыке наук.

В Аналитической химии различают методы разделения, определения (обнаружения) и гибридные, сочетающие методы первых двух групп. Методы определения подразделяют на химические методы анализа (гравиметрический анализ, титриметрия), физико-химические методы анализа (например, электрохимический, фотометрический, кинетический), физические методы анализа (спектральные, ядерно-физические и др.) и биологические методы анализа. Иногда методы определения делят на химические, основанные на химических реакциях, физические, базирующиеся на физических явлениях, и биологические, использующие отклик организмов на изменения в окружающей среде.

Практически все методы определения основаны на зависимости каких-либо доступных измерению свойств веществ от их состава. Поэтому важное направление аналитической химии - отыскание и изучение таких зависимостей с целью использования их для решения аналитических задач. При этом почти всегда необходимо найти уравнение связи между свойством и составом, разработать способы регистрации свойства (аналитического сигнала), устранить помехи со стороны др, компонентов, исключить мешающее влияние разл. факторов (например, флуктуации температуры). Величину аналитического сигнала переводят в единицы, характеризующие количество или концентрацию компонентов. Измеряемыми свойствами могут быть, например, масса, объем, светопоглощение.

Большое внимание уделяется теории методов анализа. Теория химических и частично физико-химических методов базируется на представлениях о нескольких основных типах химических реакций, широко используемых в анализе (кислотно-основных, окислительно-восстановитительных, комплексообразования), и нескольких важных процессах (осаждения - растворения, экстракции). Внимание и этим вопросам обусловлено историей развития аналитической химии и практической значимостью соответствующих методов. Поскольку, однако, доля химических методов уменьшается, а доля физико-химических и физических методов растет, болъшое значение приобретает совершенствование теории методов двух последних групп и интегрирование теоретических аспектов отдельных методов в общей теории аналитической химии.

Классификация методов качественного анализа – К.а. Методы К.а. делятся на химические, физико-химические и физические. Физические методы основаны на изучении физических свойств анализируемого вещества. К этим методам относятся спектральный,рентгеноструктурный, масс-спектрометрический анализы и др. В физико-химических методах течение реакции фиксируется измерением определенного физического свойства исследуемого раствора. К этим методам относятся полярография, хроматография и др. К химическим методам относятся методы, основанные на использовании химических свойств исследуемых веществ.

В зависимости от объекта исследования различают неорганический и органический К. а., разделяемый, в свою очередь, на элементный, функциональный н молекулярный анализ. Элементный анализ позволяет установить содержание элементов (ионов), функциональный анализ — содержание функциональных (реакционноспособных) атомов и групп в анализируемом объекте. Молекулярный К. а. предусматривает анализ индивидуальных химических соединений, характеризующихся определенной молекулярной массой. Важное значение имеет так называемый фазовый анализ — совокупность методов разделения и анализа отдельных структурных (фазовых) составляющих гетерогенных систем.

Помимо специфичности и чувствительности (см. Качественный анализ), важная характеристика методов К. а. — точность, то есть значение относительной ошибки определения; точность и чувствительность в К.а. выражают в %.

Качеств-й и количеств-й анализы развивались в тесном взаимодействии, т. к. только при уточнении количественных данных возможна полная расшифровка качественных компонентного состава в-ва, а на основе данных К. а. - совершенствование количеств-го анализа. При этом К. а. строится на основе возрастающей дифференциации св-в компонентов, а количественный - на возможности воспринимать и дифференцировать аналитические сигналы минимальной интенсивности.

Химич-е методы элементного анализа неорган-х соединений.

Основаны на ионных р-циях и позволяют обнаруживать элементы в форме катионов и анионов. Для Кач-го анализа катионов используют различные схемы систематич-го анализа с последовательным разделением катионов на группы и подгруппы, внутри к-рых возможна идентификация отдельных элементов. Аналитические группы обычно именуют по групповому реагенту.
1. Группа соляной к-ты; в нее входят Ag, Hg(I), Pb, Tl(I), к-рые образуют хлориды, малорастворимые в воде и кислых р-рах.
2. Группа гидразина; в нее входят Pd, Pt, Au, Se, Те, к-рые восстанавливаются в кислом р-ре; при отсутствии благородных металлов эта группа опускается, a Se и Те переходят в следующую.
3. Группа сероводорода. Подразделяют на три подгруппы:

а) меди - Сu, Pb, Hg(II), Bi, Cd; образуют сульфиды, нерастворимые в полисульфиде аммония (NH₄)₂S_n;

б) мышьяка - As, Sb, Sn; образуют тиосоли, р-римые в (NH₄)₂S_n;

в) более редких элементов - Ge, Se, Те, Mo; образуют сульфиды, р-римые в (МН ₄)₂S_n.
4. Группа (NH₄)₂S - уротропина, элементы к-рой образуют сульфиды или гидроксиды, малорастворимые в аммиачном р-ре (NH₄)₂S. Подразделяют условно на три подгруппы: а) элементы со степенью окисления +2-Со, Ni, Mn, Zn;

б) элементы со степенью окисления + 3 - Fe, A1, Сr;

в) др. элементы - Be, Ga, In, Sc, Y, La, Th, U, Ti, Zr, Hf, Nb, Та. К этой группе относят также V, W, образующие первоначально р-римые тиосоли, разрушающиеся при подкислении.
5. Группа (NH₄)₂CO₃; в нее входят Са, Sr, Ba, к-рые образуют карбонаты, малорастворимые в аммиачной среде, и не образуют осадков с описанными групповыми реагентами.
6. Группа р-римых соединений, не образующих осадков со всеми указанными групповыми реагентами, - Li, Na, К, Mg, Rb, Cs. В учебных курсах нумерацию групп часто обращают, начиная ее с группы р-римых соединений.

Имеются бессероводородные методы систематич-го Кач. а. К ним относятся методы с применением заменителей H₂S, дающих ион S^2- в водных р-рах (тиомочевина, тиоацетамид, тиосульфат), и наиб, распространенные методы без иона S^2-: кислотно-щелочной, аммиачно-фосфатный, гидразин-гидроксиламиновый, фторидно-бензоатный и др. Напр., в кислотно-щелочном методе катионы разделяют на группы малорастворимых хлоридов или сульфатов, амфотерных гидроксидов, нерастворимых в щелочах гидроксидов, амминокомплексов, растворимых в воде солей.

3. Аналитические реакции: условия проведения, реактивы, оборудование и посуда.