Физико-химические методы анализа

Физико-химические методы анализа основаны на определении изменения физических свойств системы, происходящих в результате химических и электрохимических реакций. Интенсивность измеряемого физического сигнала зависит от концентрации определённого компонента.

Различают прямые и косвенные физико-химические методы. В прямых методах измеряемое свойство (аналитический сигнал) зависит от концентрации определённого компонента непосредственно. В косвенных методах изменение свойства системы используется для определения момента завершения реакции

между определённым веществом и реагентом (нахождение конечной точки титрования).

Аналитическим сигналом является физическая величина, функционально связанная с составом и концентрацией раствора. Уравнением связи называется физическая закономерность, математически устанавливающая связь измеряемой величины с составом и концентрацией раствора. Четкую границу между физико-химическими и физическими методами не всегда можно провести, поэтому их объединяют под общим названием – инструментальные методы анализа, так как для измерения сигналов используются специальные приборы.

Классификация физико-химических методов анализа

1 Оптические методы анализа.

2 Электрохимические методы анализа.

3 Хроматографические методы анализа.

Оптические методы основаны на использовании явления взаимодействия вещества с электромагнитным излучением. Данное взаимодействие приводит к переходам между различными энергетическими уровнями, регистрируемым инструментально в процессах поглощения, отражения или рассеяния излучения. Основными среди них являются следующие методы:

1. Эмиссионный спектральный анализ основан на изучении спектров испускания. Разновидностью этого метода является фотометрия пламени, основанная на измерении интенсивности излучения атомов, возбуждаемых нагреванием вещества в пламени.

2.Абсорбционный спектральный анализ основан на изучении спектров поглощения анализируемых веществ. Если происходит поглощение излучения атомами, то абсорбция называется атомной, а если молекулами – то молекулярной. Различают несколько видов абсорбционного спектрального анализа.

 Спектрофотометрия учитывает поглощение анализируемым

веществом монохроматического излучения в широком диапазоне длин волн (видимый, ультрафиолетовый, инфракрасный).

Фотометрический метод основан на измерении поглощения анализируемым веществом света не строго монохроматического излучения в диапазоне длин волн от 380 до 750 нм.

Турбидиметрический анализ, изучает поглощение света взвесями веществ.

Спектроскопия – чувствительный метод определения более 60 элементов, который применяют для анализа многочисленных объектов, включая биологические среды, вещества растительного происхождения, цементы, стекла, природные и сточные воды.

3. Нефелометрический анализ основан на регистрации интенсивности рассеянного светового потока взвесями веществ.

4. Люминесцентная спектроскопия изучает свечение исследуемого объекта, возникающее под действием электромагнитного облучения.

5. Поляриметрический метод анализа основан на зависимости величины угла вращения плоскости поляризации света от концентрации оптически активного вещества в растворе.

6. Рефрактометрический анализ основан на измерении коэффициента преломления света растворами.

В основе электрохимических методов анализа лежит определение концентрации веществ по значению различных электрохимических параметров:

1. Потенциометрический анализ основан на зависимости величины потенциала электрода от состава раствора.

2. Полярографический анализ основан на зависимости силы тока, протекающего через электрохимическую ячейку, от приложенного к электроду потенциала.

3.Кондуктометрический анализ основан на зависимости электрической проводимости раствора от концентрации ионов в растворе.

4. Электрогравиметрический анализ позволяет по массе выделенного на электроде вещества в процессе электролиза раствора определить его концентрацию.

5 Кулонометрический анализ основан на зависимости количества электричества, затраченного на реакцию от концентрации определяемого вещества.

Хроматографические методы анализа можно определить как методы разделения, обнаружения и определения веществ, основанные на различии их поведения в системе из двух несмешивающихся фаз – подвижной и неподвижной. Хроматография–наиболее распространённый, надежный и универсальный приём

разделения самых разнообразных смесей. Поскольку хроматографические процессы зависят также от природы и концентрации веществ, хроматография является важным методом их идентификации и определения. Среди всего многообразия существующих сейчас хроматографических методов можно

выделить следующие.

1. Ионообменная хроматография – разделение веществ, основанное на обратимом обмене ионов, содержащихся в растворе, на ионы, входящие в состав ионообменника.

2. Адсорбционно-жидкостная хроматография – разделение жидких веществ вследствие различной адсорбируемости их на сорбенте.

3. Газоадсорбционная хроматография – разделение смеси газов на твердом сорбенте.

4. Газожидкостная хроматография – разделение газовой смеси вследствие различной растворимости компонентов пробы в жидкости или различной устойчивости образующихся комплексов.

5. Распределительная хроматография – разделение веществ, основанное на различии их распределения между двумя жидкими фазами, одна из которых неподвижна, а другая подвижна.

6. Осадочная хроматография – разделение веществ вследствие образования малорастворимых осадков в определенном порядке, обусловленном их растворимостью.

7. Редокс-хроматография – разделение веществ вследствие неодинаковой скорости окислительно-восстановительных реакций, протекающих в хроматографической колонке.

8. Адсорбционно-комплексообразовательная хроматография– разделение веществ вследствие различия в константах устойчивости соответствующих комплексных соединений, образующихся в колонке.

Инструментальные методы анализа имеют ряд особенностей, отличающих их от классических методов химического анализа – гравиметрического и титриметрического. Практически все физические и физико-химические методы применяют исследования, базирующиеся на предварительно изученной

(установленной) зависимости «состав – свойства». Поэтому первым этапом разработки и применения любого физико-химического метода является установление зависимости между составом исследуемой пробы и ее свойством, выраженной либо в виде математической формулы, либо в виде графика.

Другой особенностью данных методов является то, что показатели, характеризующие свойства вещества или системы, не зависят от объёма вещества (так потенциал электрода не зависит от объёма раствора, в который он погружён и т.д.). Большим преимуществом инструментальных анализа является то, что во многих случаях они позволяют изучить состав, строение и свойства объектов исследования, не производя с ними никаких сложных химических операций. В

большинстве случаев проведение физико-химических методов анализа требует немного времени – это экспрессные методы. Вместе с этим, бόльшая часть методов обладает высокой чувствительностью, точностью и избирательностью.

Вопросы:

1. Приведите классификацию методов аналитической химии.

2.  Приведите классификацию физико-химических методов анализа.

3.  В чём заключаются преимущества физико-химических методов анализа по сравнению с классическими химическими методами?

4. Что такое инструментальные методы анализа?