Instrumentelle forskningsmetoder. Generelle kjennetegn ved instrumentelle analysemetoder Metoder for å bestemme konsentrasjoner i instrumentelle analysemetoder

Avhengig av oppgaven er det 3 grupper av analytiske kjemimetoder:

• 1) påvisningsmetoder lar deg bestemme hvilke elementer eller stoffer (analytter) som er tilstede i prøven. De brukes til å utføre kvalitativ analyse;
• 2) bestemmelsesmetoder gjør det mulig å fastslå det kvantitative innholdet av analytter i en prøve og brukes til å utføre kvantitativ analyse;
• 3) separasjonsmetoder lar deg isolere analytten og skille forstyrrende komponenter. De brukes i kvalitativ og kvantitativ analyse. Det finnes ulike metoder for kvantitativ analyse: kjemisk, fysisk-kjemisk, fysisk, etc.

Kjemiske metoder er basert på bruk av kjemiske reaksjoner (nøytralisering, oksidasjonsreduksjon, kompleksdannelse og utfelling) som analytten går inn i. Et kvalitativt analytisk signal i dette tilfellet er den visuelle ytre effekten av reaksjonen - en endring i fargen på løsningen, dannelsen eller oppløsningen av et bunnfall, frigjøringen av et gassformig produkt. Ved kvantitative bestemmelser brukes volumet av det frigjorte gassformige produktet, massen av det dannede bunnfallet og volumet av en reagensløsning med en nøyaktig kjent konsentrasjon brukt på interaksjon med stoffet som bestemmes, som et analytisk signal.

Fysiske metoder bruker ikke kjemiske reaksjoner, men måler eventuelle fysiske egenskaper (optiske, elektriske, magnetiske, termiske, etc.) til det analyserte stoffet, som er en funksjon av dets sammensetning.

Fysiokjemiske metoder bruker endringer i de fysiske egenskapene til det analyserte systemet som følge av kjemiske reaksjoner. Fysiokjemiske metoder inkluderer også kromatografiske analysemetoder, basert på prosessene med sorpsjon-desorpsjon av et stoff på en fast eller flytende sorbent under dynamiske forhold, og elektrokjemiske metoder (potensialiometri, voltammetri, konduktometri).

Fysiske og fysisk-kjemiske metoder kombineres ofte under det generelle navnet instrumentelle analysemetoder, siden analytiske instrumenter og enheter som registrerer fysiske egenskaper eller deres endringer brukes til å utføre analysen. Når du utfører en kvantitativ analyse, måles det analytiske signalet - en fysisk mengde assosiert med den kvantitative sammensetningen av prøven. Hvis kvantitativ analyse utføres ved hjelp av kjemiske metoder, er grunnlaget for bestemmelsen alltid en kjemisk reaksjon.

Det er 3 grupper av kvantitative analysemetoder:

• - Gassanalyse
• - Titrimetrisk analyse
• - Gravimetrisk analyse

De viktigste kjemiske metodene for kvantitativ analyse er gravimetriske og titrimetriske metoder, som kalles klassiske analysemetoder. Disse metodene er standard for å vurdere nøyaktigheten av en bestemmelse. Deres hovedanvendelsesområde er presisjonsbestemmelse av store og mellomstore mengder stoffer.

Klassiske analysemetoder er mye brukt i kjemiske industribedrifter for å overvåke fremdriften til den teknologiske prosessen, kvaliteten på råvarer og ferdige produkter og industrielt avfall. På grunnlag av disse metodene utføres farmasøytisk analyse - bestemme kvaliteten på legemidler og medisiner som produseres av kjemiske og farmasøytiske virksomheter.

Å utføre kvantitative vektbestemmelser og volumetriske (titrimetriske) metoder for kjemisk analyse er noen ganger forbundet med store vanskeligheter, hvorav de viktigste er:

Behovet for foreløpig separasjon av delen bestemmes fra urenheter;

Relativt lav følsomhet, begrenser bruken av klassiske metoder for å analysere små mengder bestemte elementer;

Store mengder tid (spesielt i vektmetoden) for å gjennomføre en fullstendig analyse.

Fysisk-kjemiske metoder De kjennetegnes ved økt følsomhet og selektivitet sammenlignet med klassiske metoder, derfor krever analyse ved hjelp av disse metodene som regel en liten mengde av analytten, og innholdet av et bestemt element i prøven kan være ekstremt lite.

Dermed er de fysisk-kjemiske analysemetodene forskjellige uttrykksfullhet, selektivitet, høy følsomhet.

Når det gjelder følsomhet, er førsteplassen okkupert av massespektrale og radioaktiveringsmetoder for analyse. De etterfølges av de velbrukte spektrale, spektrofotometriske og polarografisk metoder.

For eksempel er følsomheten ved å bestemme noen elementer ved forskjellige metoder som følger: Volumetrisk kan bestemmes ca. 10-1 % ; veier ca 10 -2 % ; spektroskopisk og fotokolorimetrisk 10 -3 -10 -5 % ; fluorometrisk 10-6-10-7%; kinetisk 10 -6 -10 -8 %; radio hee mikrofon 10 -8 -10 -9 %; metode nøytronaktiveringsanalyse oppdage mange urenheter i mengder mindre enn 10 -8 -10 -9 % .

Når det gjelder nøyaktighet, er mange fysisk-kjemiske analysemetoder dårligere klassisk, og spesielt vektmetoden. Ofte, når nøyaktigheten bestemt av hundredeler og tiendedeler av en prosent oppnås ved vekt- og volumetriske metoder, når man utfører analyser ved bruk av fysisk-kjemiske metoder, utgjør bestemmelsesfeilene 5-10 % , og noen ganger mye mer.

Avhengig av analysemetoden påvirkes nøyaktigheten av bestemmelsene av ulike faktorer.

For eksempel påvirkes nøyaktigheten av utslippsanalysen av:

metode for å ta en gjennomsnittlig prøve av det analyserte stoffet;

ustabilitet av eksitasjonskilden (elektrisk lysbue, gnist, brennerflamme);

størrelsen på den fotometriske målefeilen;

inhomogenitet av den fotografiske emulsjonen (i tilfelle av spektrografi), etc.

I tillegg til relativt lav nøyaktighet har mange fysisk-kjemiske metoder også noen andre ulemper. For eksempel er emisjonsspektroskopi kun praktisk når man utfører masseanalyser, siden bestemmelse av et bestemt element i en prøve krever kalibrering av instrumentet mot en standardprøve, noe som tar mye tid. Ingen av de fysisk-kjemiske analysemetodene er universelle.

Det skal bemerkes at, til tross for fremgangen til instrumentelle analysemetoder som gjør det mulig å løse kjemiske analytiske problemer, har klassiske analysemetoder ikke mistet sin betydning og er grunnlaget for moderne analytisk kjemi.

Alle metoder for kvantitativ analyse, fysiske og fysiske

Sikokjemiske analysemetoder er delt inn i følgende grupper: elektrokjemiske; spektral (optisk); kromatografisk; radiometrisk; massespektrometrisk.

Elektrokjemiske analysemetoder. Gruppen av elektrokjemiske analysemetoder inkluderer følgende typer analyse.

Elektrisk gravimetrisk analyse er basert på isolasjon fra løsninger av elektrolytter av stoffer avsatt på elektrodene når de passerer gjennom løsninger av likestrøm

ka. Metallet eller (oksidet) som frigjøres under elektrolyse veies på en analytisk vekt og innholdet av stoffet som bestemmes i løsningen bedømmes ut fra massen til sedimentet.

Polarografi er basert på en endring i strømstyrke, varierende avhengig av spenningen under elektrolyseprosessen, under forhold der en av elektrodene (katode) har en veldig liten overflate (polariserende elektrode), og den andre (anode) har en stor overflate ( ikke-polariserende elektrode). Den polariserende katoden er kvikksølvdråper som strømmer fra et tynt hull i et kapillærrør, samt platina (roterende), grafitt, sølv og andre elektroder. Den ikke-polariserende anoden er "gitt" kvikksølv eller standard referanseelektroder med et stort overflateareal. Strømstyrken ved hvilken en fullstendig utladning av alle analytioner som kommer inn i nærelektroderommet som et resultat av diffusjon oppnås, kalles den begrensende diffusjonsstrømmen. Størrelsen på denne strømmen er proporsjonal med den opprinnelige konsentrasjonen av analytten (ionene) i løsningen.

Amperometrisk titrering, som er en type polarografisk analyse, er basert på at en endring i prosessen med å titrere en løsning av stoffet bestemmes i verdien av den maksimale diffusjonsstrømmen som passerer gjennom løsningen ved en konstant spenning mellom indikatorpolariserende elektrode og ikke -polariserende referanseelektrode.

Coulometri er basert på en endring i mengden elektrisitet brukt på elektrolyse av en viss mengde av et stoff ved et konstant potensial, som tilsvarer potensialet for frigjøring av et gitt grunnstoff. Denne metoden er basert på Faradays lov.

En titreringsmetode der ekvivalenspunktet tilsvarer øyeblikket når elektrolysestrømmen når "bakgrunnsstrømmen" kalles kulometrisk titrering. Vanligvis er bakgrunnsstrømmen lik 0 , fordi løsningen for øyeblikket inneholder ikke ladede partikler.

Konduktometri er basert på å måle den elektriske ledningsevnen til de analyserte løsningene, som endres som følge av kjemiske reaksjoner og avhenger av elektrolyttens natur, dens temperatur og konsentrasjonen av løsningen.

Titreringsmetoden, der ekvivalenspunktet er fiksert ved skjæringspunktet mellom to rette linjer, som reflekterer endringen i den ekvivalente elektriske ledningsevnen til testløsningen når titranten tilsettes under titreringsprosessen, kalles konduktometrisk titrering.

Spektral (optiske) analysemetoder. Gruppen av spektralanalysemetoder inkluderer følgende metoder.

Emisjonsspektralanalyse– en fysisk metode basert på studiet av emisjonsspektra for damper av det analyserte stoffet (utslipp eller studiespektre) som oppstår under påvirkning av sterke eksitasjonskilder (elektrisk lysbue, høyspentgnist); denne metoden gjør det mulig å bestemme grunnstoffsammensetningen til et stoff; de. bedømme hvilke kjemiske elementer som inngår i sammensetningen av et gitt stoff.

Flammefotometri, som er en type emisjonsspektralanalyse, er basert på studiet av utslippsspektrene til elementene i det analyserte stoffet,

som oppstår under påvirkning av myke kilder til eksitasjon. I denne metoden sprayes løsningen som skal analyseres inn i en flamme. Denne metoden gjør det mulig å bedømme innholdet av hovedsakelig alkali- og jordalkalimetaller i den analyserte prøven, samt noen andre elementer, for eksempel gallium, indium, thallium, bly, mangan, kobber, fosfor.

Absorpsjonsspektroskopi er basert på studiet av absorpsjonsspektrene til et stoff, som er dets individuelle egenskap. Skille spektrofotometrisk

metode, basert på bestemmelse av absorpsjonsspekteret eller måling av lysabsorpsjon (både i de ultrafiolette og i de synlige og infrarøde områdene av spekteret) ved en strengt definert bølgelengde (monokromatisk stråling), som tilsvarer maksimum av absorpsjonskurven til et gitt stoff under studier, samt fotokolorimetrisk metode, basert på bestemmelse av absorpsjonsspekteret eller måling av lysabsorpsjon i den synlige delen av spekteret.

Turbodimetri er basert på å måle intensiteten av lys absorbert av en ufarget suspensjon av et fast stoff. I turbodimetri måles intensiteten av lys absorbert av eller transmittert gjennom en løsning på samme måte som i fotokolometri av fargede løsninger.

Nefelometri er basert på å måle intensiteten til lys som reflekteres eller spres av en farget eller ufarget suspensjon av et fast stoff (sediment suspendert i et gitt medium).

Selvlysende, eller fluorescerende, er analysemetoden basert på måling av intensiteten av synlig lys som sendes ut av stoffer (fluorescens) når de bestråles med ultrafiolette stråler.

Optiske analysemetoder inkluderer også refraktometrisk metode, basert på brytningsindeksmåling, og polarimetrisk, basert på forskning

avhengig av rotasjonen av polariseringsplanet.

Kromatografiske analysemetoder. Basert på separasjonsmekanismen finnes det flere typer kromatografiske analysemetoder.

Adsorpsjonsvæskekromatografi er basert på selektiv adsorpsjon (absorpsjon) av individuelle komponenter i den analyserte blandingen i et flytende medium. Det er på grunn av ulik adsorberbarhet av oppløste komponenter.

Adsorpsjonsgasskromatografi er basert på bruk av forskjeller i adsorberbarheten til gasser og damper. I

Avhengig av hovedfaktoren som bestemmer separasjonen, skilles følgende typer gasskromatografi: gass-væske og gass-adsorpsjon.

Partisjonskromatografi er basert på bruk av forskjeller i fordeling (sorberbarhet) av individuelle komponenter i den analyserte blandingen mellom to ikke-blandbare væskefaser - mobile og stasjonære løsningsmidler.

Papirkromatografi - en type partisjonskromatografi der bæreren for et stasjonært løsningsmiddel er strimler eller ark med filterpapir som ikke inneholder mineralske urenheter.

Ionebyttekromatografi er basert på bruk av ionebytterprosesser som forekommer mellom de bevegelige feltene til adsorbenten og elektrolyttfeltene i den analyserte løsningen.

Massespektrometriske analysemetoder. Massespektrometriske analysemetoder er basert på bestemmelse av individuelle ioniserte atomer, molekyler og radikaler ved å separere kilder til ioner som inneholder partikler med forskjellige masse-til-ladningsforhold som et resultat av den kombinerte virkningen av elektriske og magnetiske felt.

Fysiokjemisk analyse i henhold til N.S. Kurnakov. Metoden foreslått av N.S. Kurzhakov, lar deg studere fysikk

fysiske egenskaper til systemer avhengig av deres kjemiske sammensetning. For eksempel kan kurver for smeltetemperaturen kontra sammensetningen av en bly-tinnlegering brukes til analytiske formål.

Denne metoden kalles fysisk-kjemisk analyse. Begrepene "fysisk-kjemisk analysemetode" bør ikke forveksles.

for" med begrepet "fysisk-kjemisk analyse".

Hvis det under prosessen med oppvarming eller avkjøling av teststoffet ikke observeres fasetransformasjoner forbundet med frigjøring eller absorpsjon i det analyserte objektet

varme, så er varme- eller kjølekurvene preget av en jevn progresjon. Hvis fasetransformasjoner forekommer i systemet, observeres horisontale seksjoner ved konstant temperatur eller skarpe bøyninger i kurven på temperaturendringskurven, avhengig av arten av disse transformasjonene over en viss tidsperiode. En slik kjølekurve gjør det mulig å bedømme alle fase transformasjoner som skjer i prøven som studeres under kjøleprosessen.

Andre analysemetoder.Elektron paramagnetisk resonans (EPR) metode- er basert på bruken av fenomenet resonansabsorpsjon av elektromagnetiske bølger av paramagnetiske partikler i et konstant magnetfelt og brukes vellykket til å måle konsentrasjonen av paramagnetiske stoffer, studere redoksreaksjoner, studere kjemisk kinetikk og mekanismen for kjemiske reaksjoner, etc. .

Kjernemagnetisk resonans (NMR) metode er basert på bruk av resonansabsorpsjon av elektromagnetiske bølger av stoffet som studeres i et konstant magnetfelt, forårsaket av kjernemagnetisme. Metode NMR brukes til å studere komplekse forbindelser, tilstanden til ioner i løsning, for å studere kjemisk kinetikk, etc.

Konklusjon

Moderne kjemi dekker et stort område av menneskelig kunnskap, siden det er en vitenskap som studerer stoffer og lovene for deres transformasjon. Kjemi er i kontinuerlig utvikling og avslører dypt de grunnleggende lovene som gjør det mulig å bestemme oppførselen til elektroner i atomer og molekyler, å utvikle metoder for å beregne strukturene til molekyler og faste stoffer, teorien om kjemisk kinetikk og kjemisk likevekt. Veiledet av de grunnleggende lovene for kjemisk termodynamikk, lar kjemi oss vurdere retningen til kjemiske prosesser og dybden av deres forekomst. Viktig informasjon er gitt ved å studere den krystallinske tilstanden til stoffer.

Disse spørsmålene vil tillate elevene å mestre kjemiområder som ikke ble studert på videregående eller delvis ble studert.

Kunnskapen tilegnet i denne delen av kjemikurset er nødvendig for å studere spesielle seksjoner (egenskaper til løsninger, redoksreaksjoner, elektrokjemiske prosesser, fysiske og kjemiske egenskaper til stoffer)

De grunnleggende emnene i håndboken kan være nyttige i aktivitetene til spesialister innen ethvert teknologifelt. Å forstå de grunnleggende lovene i kjemi og evnen til å jobbe med pedagogisk og spesialisert litteratur vil tillate spesialister å finne optimale løsninger på problemene de står overfor.

Seksjoner av kjemi som er viktige i den praktiske virksomheten til radio- og elektrotekniske spesialister presenteres også. Elektrokjemiske prosesser (drift av galvaniske celler, elektrolyse) vurderes, eksempler på kjemiske strømkilder og tekniske anvendelser av elektrolyse er gitt.

Påliteligheten og holdbarheten til elektroniske produkter avhenger av korrosjonsmotstanden til individuelle deler av enheter, derfor undersøker manualen de grunnleggende lovene for korrosjonsprosesser, gir deres klassifisering, presenterer to mekanismer for deres forekomst: kjemisk og elektrokjemisk, og gir også metoder og metoder for beskyttelse mot kjemisk og elektrokjemisk korrosjon.

Basert på informasjonen som presenteres i denne håndboken, vises noen fysiske og kjemiske egenskaper til metaller og halvledere (elektrisk ledningsevne, magnetiske egenskaper). Konseptet med kjemisk identifikasjon av stoffer basert på kvalitative og kvantitative analysemetoder er gitt.

Kunnskap er nødvendig når du studerer påfølgende kurs, som materialvitenskap, materialers styrke, teoretiske grunnlag for ulike teknologiske prosesser innen elektronikk, elektroteknikk, mikroelektronikk, radioteknikk, energi og andre områder av spesialistopplæring.

Vitenskapelig og teknologisk fremgang er ikke mulig uten utvikling av kjemi, som skaper nye stoffer med nye egenskaper som kan brukes i ulike bransjer.

Ved overvåking av miljøforurensning bør analytiske metoder tillate bestemmelse av både spormengder av grunnstoffer (på nivået n·10 -3 -n·10 -7%) og ved høye forurensningsnivåer, fortrinnsvis samtidig, i en rekke objekter med ulike fysiske egenskaper og kjemisk sammensetning.

Når enhver analysemetode sammenlignes med andre, er det nødvendig å ta hensyn til en rekke faktorer som til sammen kjennetegner metoden. Disse inkluderer:

bruksområde- gjenstander for analyse og nomenklatur av stoffer (uorganiske og organiske), hvis bestemmelse er mulig ved bruk av denne metoden;

arbeidsområde for bestemte konsentrasjoner– området der det er mulig å bestemme komponenten uten bruk av ytterligere fortynnings- eller konsentrasjonstrinn;

selektivitet for bestemmelse– evnen til å bestemme substansen av interesse i nærvær eller påvirkning av forstyrrende komponenter og faktorer, for eksempel matriseeffekter;

metrologiske egenskaper(bestemmelsesfølsomhet, deteksjonsgrenser, reproduserbarhet og nøyaktighet av de oppnådde måleresultatene, etc.);

evnen til å gjenkjenne forskjellige fysiske og kjemiske former for kontrollerte stoffer i forskjellige matriser, for eksempel ioner i forskjellige valenstilstander;

utstyrets ytelse, egnethet for å utføre massemålinger;

maskinvare- kompleksiteten til maskinvaren og dens kostnad, muligheten for bruk i produksjon og feltforhold;

krav til opplæring og kvalifikasjoner til personell(laboratorieassistent, ingeniør, behov for spesialutdanning).

Metoder som vil tilfredsstille alle de ovennevnte kravene er ennå ikke utviklet, men de grunnleggende betingelsene kan oppfylles ved bruk av moderne fysisk-kjemiske analysemetoder og deres kombinasjoner.

1. Kjennetegn på de vanligste instrumentelle analysemetodene

Elektroanalytisk (elektrokjemisk) metoder. De er basert på elektrokjemiske prosesser i løsninger. Disse metodene har lenge vært kjent og brukes ofte i daglig overvåking av miljøobjekter, de har fordeler i form av lave utstyrskostnader og nødvendige kostnader for drift av enhetene. Fordeler med elektrokjemiske analysemetoder:

Høy følsomhet og selektivitet, rask respons på endringer i sammensetningen av det analyserte objektet;

Stort utvalg av bestemte kjemiske elementer og stoffer;

Brede områder av målte konsentrasjoner - fra titalls % til n*10 -8 %;

Nøyaktighet og høy reproduserbarhet av resultater (relativt standardavvik for analyseresultater i de fleste EMA-er er mindre enn 0,3);

Evnen til å bestemme, sammen med bruttoinnholdet, de fysiske og kjemiske formene til elementene som bestemmes;

Enkelhet av maskinvaredesign, tilgjengelighet av utstyr og lave analysekostnader;

Mulighet for bruk i laboratorie-, produksjons- og feltforhold, enkel automatisering og fjernkontroll.

De representerer et område av analytisk kjemi som er veldig lovende for å forbedre maskinvaredesign og automatisering ved hjelp av mikroprosessorer.

Tabell 1 Klassifisering av instrumentelle analysemetoder

Metodenavn og alternativer	Definerte komponenter	Deteksjonsgrense, mg/l (mg/kg)	Linearitetsområde
Elektroanalytiske metoder
Voltammetri (polarografi)	metallioner og deres tilhørende former, gasser		spes. men jfr. følelser.
Potensiometri	uorganiske ioner
Ionometri med ioneselektive elektroder	uorganiske ioner
Coulomb og konduktometri	uorganisk forbindelser, gasser
Spektralanalysemetoder
Molekylær spektrometri
Synlig spektrofotometri	uorganiske og organiske forbindelser		enkel og bred ca.
UV-spektrofotometri	inorg. og økologiske ingredienser
IR-spektrometri Raman-spektrometri	organisasjonsidentifikasjon stoffer		høyt spesialisert
Atomspektrometri
Atomabsorpsjonsspektrometri	kjemiske elementer, hovedsakelig metaller
Atomemisjonsspektrometri	mer enn 70 kjemiske elementer
Atomfluorescensspektrometri	organiske stoffer og organometalliske komplekser
Radiospektroskopiske metoder
Elektron paramagnetisk resonans (EPR)	Makrokomponenter, frie radikaler.		svært spesifikk,
Kjernemagnetisk resonans (NMR)	organiske forbindelser som inneholder kjerner H, C, F, P		ufølsom.
Massespektrometri
Massespektrometri	Spor av elementene
Kromatografiske metoder
Gasskromatografi	gasser, flyktige organiske forbindelser	Avhenger av type	svært spesifikke.
Gass-væskekromatograf.	organiske forbindelser	detektor
Høyytelses væskekromatografi	ikke-flyktige organiske forbindelser		søke om.
Kjernefysiske metoder
Nøytronaktiveringsanalyse	kjemiske elementer, med unntak av lette		krever spesielle
-, - og - radiometri	radionuklider
-, - og - spektrometri

* - avhenger sterkt av elementet som defineres; ** - avhenger av detektoren som brukes

Ulemper - effekten av gjensidig påvirkning av elementer, umuligheten av multi-elementbestemmelse, påvirkningen av organiske stoffer.

Spektralanalysemetoder basert på bruk interaksjon av atomer eller molekyler av analyttstoffer med elektromagnetisk stråling av et bredt spekter av energier. I rekkefølge av avtagende energi kan disse være: gammastråler, røntgen, ultrafiolett og synlig, infrarød, mikrobølge og radiobølger.

Samspillet mellom molekyler eller atomer av et stoff med ulike former for energi manifesteres i tre nært beslektede spektroskopiske fenomener - emisjon, adsorpsjon og fluorescens, som på en eller annen måte brukes i analytisk teknologi. Et analytisk signal kan være utslipp eller absorpsjon av stråling fra et stoff, derfor skilles to typer spektralanalyse: absorpsjon spektroskopi (bruker absorpsjonsspektra) og utslipp spektroskopi (emisjonsspektre).

Spektralanalysemetoder begynte å utvikle seg på midten av 1800-tallet og har nå blitt utbredt i kvalitativ og kvantitativ analyse. Den utbredte bruken av spektralanalysemetoder skyldes deres allsidighet, selektivitet, lave deteksjonsgrenser, hurtighet og evnen til å automatisere både individuelle stadier og hele analyseprosessen som helhet. Moderne spektrale instrumenter har automatiserte prøveinndatasystemer, innebygde mikroprosessorer som kontrollerer analyseprosessen, behandler eksperimentelle data og gir dem i en form som er praktisk for forbrukeren.

Gruppen av spektralanalysemetoder inkluderer:

molekylær absorpsjonsspektralanalyse i de synlige, UV- og IR-områdene;

analysemetode ved bruk av Raman-spektra;

luminescerende eller fluorescerende analyser;

atomutslipp, atomabsorpsjon og atomfluorescensanalyser;

radiospektroskopiske analysemetoder (EPR-spektroskopi, NMR-spektroskopi).

Molekylær spektrometri. Avhengig av energiområdet som brukes, deles optiske analysemetoder inn i spektroskopi i de synlige og ultrafiolette områdene av spekteret (bølgelengdeområde fra 200 til 700 nm, 1 nm = 10 -9 m) og infrarød spektrometri (fra bølgelengder som lyset blir usynlig for menneskelige øyne ~ 780 nm til området der strålingen allerede har egenskapene til høyfrekvente radiobølger ~ 0,5 mm). Klassisk fotometri og spektrofotometri er fortsatt mye brukt (mikroprosessorkontroll som tillater helautomatiserte måleprosesser). Infrarød spektrometri er spesielt nyttig for å identifisere og bestemme strukturen til organiske forbindelser. Raman-spektrometri.

Atomspektrometri. I løpet av de siste 20-30 årene har rollen til atomabsorpsjon og atomutslippsspektrometri vokst. Metodene krever mer komplekst og kostbart utstyr, men gjør det mulig å utføre masseanalyser og bestemme de fleste kjemiske grunnstoffene i matriser med en lang rekke sammensetninger med ekstremt lave deteksjonsgrenser (med et absolutt innhold på ~ 10 -14 g). Disse instrumentelle analysemetodene er i ferd med å bli vanlige (rutinemessige) selv i små miljøkontrolllaboratorier, spesielt ved overvåking av luft- og naturlig vannforurensning, når enkel foreløpig prøvepreparering eller konsentrasjon (ekstraksjon, fordampning av vannprøver eller fangst av atmosfæriske forurensninger på en filter) bidrar til å øke følsomheten til bestemmelsene.

Atomfluorescerende Spektrometri tillater også bestemmelse av ulike elementer, men basert på re-emisjon av lysenergi absorbert av frie atomer.

EPR-spektrometri. EPR-metoden brukes til å studere molekyler, atomer og radikaler i gasser, løsninger og ulike typer matriser. EPR er en av de mest sensitive metodene for å oppdage og identifisere frie radikaler, etablere deres elektroniske konfigurasjon og geometri. Metoden brukes til å studere komplekse forbindelser, spesielt forbindelser av overgang og sjeldne jordmetaller.

Kjernemagnetisk resonansspektroskopi- en metode for å måle den relative energien og tilstanden til kjernespinnene til et molekyl i et magnetfelt. Metoden egner seg for å studere atomer med kjernespinn og kan brukes til kvantitativ og kvalitativ analyse, spesielt ved analyse av forbindelser med ukjent struktur. Oftest brukt i forhold til kjerner 1 H, 19 F og 31 P.

Massespektrometri. Denne metoden analyserer et stoff ved å omdanne det til ioner og deretter separere dem i et elektrisk eller magnetisk felt.

Molekylær spektrometrimetoder (IR, UV, NMR, EPR og massespektrometri) er mer assosiert med å etablere strukturen og studere mekanismen til pågående prosesser enn med enkel identifikasjon av sammensetningen.

Kromatografisk metoder. I hovedsak er kromatografi en metode for å separere blandinger. Etter å ha separert blandingen i komponenter, blir de identifisert og kvantifisert. Til dette formål brukes spesielle enheter, kalt en detektor og basert på ulike prinsipper for å måle mengden eller konsentrasjonen av et stoff – fra de enkleste termoelementer eller fotometre til høyoppløselige massespektrometre i kombinasjon med en mikroprosessor. Instrumentell kromatografi er en hybridmetode: en kromatografisk kolonne separerer prøvekomponentene i separate soner, og en detektor måler typisk konsentrasjonen av de separerte komponentene i bærerfasen etter at de forlater kolonnen.

Kromatografiske metoder, spesielt gass-væske- og høyytelses væskekromatografi, er ofte uunnværlige for analyse av komplekse flerkomponentblandinger, samt for identifisering og kvantifisering av organiske stoffer med lignende strukturer. Metoder som kombinerer kromatografisk separasjon av en blanding av analytter til komponenter og deres påfølgende bestemmelse ved bruk av masse- eller IR-spektrometri (kromatografi-massespektrometri GLC-MS, gass-væskekromatografi - Fourier-transformspektroskopi i det infrarøde området GLC-IR-FS) er under utvikling. spesielt raskt.

Kjernefysikk Metoder inntar en spesiell posisjon og brukes mer begrenset, siden de krever spesielt forberedte laboratorier, overholdelse av mange strålingssikkerhetskrav og er bare egnet for bestemmelse av radioaktive isotoper av kjemiske elementer som har spesifikke kjernefysiske egenskaper - fenomenet radioaktivt forfall.

Ingen av de listede analysemetodene er universelle når det gjelder egnethet for å bestemme innholdet av alle komponenter av interesse i noen kontrollobjekter.

Når du velger en spesifikk analysemetode, bør følgende spørsmål vurderes først:

gruppekarakteristikker og egenskaper ved de fysisk-kjemiske egenskapene til det forurensende stoffet som er underlagt kontroll;

Kjemisk sammensetning og fysiske egenskaper til kontrollerte objekter;

Mulig rekkevidde av endringer i konsentrasjonene av analytten i kontrollobjektene;

Metrologiske egenskaper ved metoden: følsomhet (deteksjonsgrense), nøyaktighet og korrekthet (selektivitet, reproduserbarhet av bestemmelsesresultater, fravær av interferens med bestemmelsen fra medfølgende komponenter, etc.);

Krav til metoden for å forberede en prøve av et stoff før måling;

Tid brukt på en enkelt måling;

Den totale varigheten av analysen, tatt i betraktning prøveforberedelse, måling og utstedelse av resultater;

Evnen til å automatisere prosessen med prøvepreparering, måling og levering av analyseresultater.

De fire siste punktene er spesielt viktige ved valg av metode som egner seg for å utføre masseanalyser.

Instrumentelle analysemetoder er navngitt på grunn av bruk av passende verktøy. I henhold til IUPAC-definisjonen (International Union of Pure and Applied Chemistry), er et instrument en enhet som brukes til å observere et spesifikt objekt, måle eller rapportere data om tilstanden til et stoff. Enheten erstatter menneskelige handlinger, utfyller eller øker evnene hans.

I instrumentelle analysemetoder brukes ulike typer instrumenter som instrumenter, designet for å utføre grunnleggende analyseprosedyrer, måle de fysiske og fysisk-kjemiske egenskapene til stoffer, og også for å registrere måleresultater. Takket være moderne datastyrte instrumenter kan sensitiviteten til analysen økes betydelig. Mange fysisk-kjemiske egenskaper er spesifikke.

Alle instrumentelle (fysisk og fysisk-kjemiske) metoder er basert på måling av de tilsvarende fysiske mengdene som karakteriserer stoffet som bestemmes i det analyserte objektet.

For hver instrumentelle metode brukes det tilsvarende analytiske signalet. Tabell 1 viser eksempler på analytiske signaler og deres tilsvarende metoder, som tilhører to viktige grupper - elektrokjemiske analysemetoder og optiske analysemetoder. Disse gruppene inkluderer også noen andre metoder som ikke er vist i tabellen. For eksempel inkluderer optiske metoder luminescens, atomabsorpsjon og andre spektroskopiske metoder, nefelometri, turbidimetri og polarimetri.

I tillegg til elektrokjemiske og optiske metoder er andre grupper av metoder kjent. For eksempel klassifiseres metoder som måler radioaktivitet som kjernefysiske metoder. Det benyttes også massespektrometriske metoder, termiske metoder etc. Denne klassifiseringen er betinget og er ikke den eneste mulige.

Det analytiske signalets avhengighet av innholdet i analytten X kalt kalibreringsfunksjonen. Det er skrevet som en formlikning I=f(C). I denne ligningen symbolet C angi innholdet i analytten X, som kan uttrykkes i forskjellige enheter, for eksempel enheter for mengde av et stoff (mol), enheter for masse (g, kg), enheter for molar konsentrasjon (mol/dm 3). Disse enhetene er direkte proporsjonale med hverandre. Størrelsen på det analytiske signalet er generelt angitt med symbolet Jeg, selv om noen metoder bruker spesifikke betegnelser (se tabell 1). I hver metode er kalibreringsfunksjonene av samme type, men den nøyaktige typen kalibreringsfunksjon for en bestemt metode avhenger av arten til stoffet som bestemmes X og signalmålingsforhold. I alle versjoner av refraktometrisk analyse er det analytiske signalet brytningsindeksen til lysstrålen (n), som lineært avhenger av stoffinnholdet X i testløsningen ( Jeg= n = a + k C). Dette betyr at ved refraktometrisk bestemmelse av ethvert stoff er kalibreringsgrafen lineær, men går ikke gjennom origo for koordinater (fig. 1). De numeriske verdiene til konstantene a og k avhenger av hvilken komponent som bestemmes og under hvilke forhold (løsningsmiddel, temperatur, bølgelengde) brytningsindeksen måles.

Tabell 1. Eksempler på instrumentelle analysemetoder

Elektrokjemiske metoder	Analytisk signal	Type kalibreringsfunksjon
	Primær, I	Sekundær, jeg*
Konduktometri	Elektrisk motstand, R	Elektrisk Strømføringsevne, L	L= a + k
Potensiometri	E.D.S. elektrokjemisk skap, E	Elektrodepotensial E	E= a + log b
Voltammetri	Nåværende styrke Jeg	Begrens diffus strøm, Jeg d	Jeg d= k
Coulometri	Mengden elektrisitet Q
Elektrogravimetri	Masse av elektrolyseprodukt, m
Optiske metoder	Analytisk signal	Type kalibreringsfunksjon
	Primær, I	Sekundær, jeg*
Atomemisjonsspektralanalyse	Fotostrøm, Jeg; relativ svartning, S	Jeg= a C b S= a + k IgC
Spektrofotometri	Optisk tetthet, D	D = l C
Refraktometri	Brytningsindeks, n	n = n - n o	n = n 0 + kC

I mange metoder er signalets avhengighet av konsentrasjon beskrevet av ikke-lineære funksjoner, for eksempel i luminescensanalyse er det en eksponentiell funksjon ( Jeg= kC n), i potensiometri - logaritmisk funksjon (E = E 0 + k logC) osv. Til tross for disse forskjellene er alle kalibreringsfunksjoner like ved at når verdien av C øker (innholdet av analytten X) signalverdien endres kontinuerlig, og hver verdi av C tilsvarer kun én verdi Jeg.

Kalibreringsfunksjoner etableres eksperimentelt ved bruk av standard referanseprøver (standarder), som inneholder forskjellige nøyaktig kjente mengder av analytten. X. Dataene oppnådd som et resultat av måling av signalet for hver standard gjør at kalibreringsfunksjonen kan presenteres i form av en tabell, graf eller algebraisk formel. Hvis vi nå måler det analytiske signalet til testprøven med samme enhet under de samme forholdene som standardsignalet, vil det fra størrelsen på et slikt signal være mulig å bestemme innholdet X i testprøven ved hjelp av kalibreringsfunksjonen.

Det er lett å beregne resultatet av analysen hvis signalet Jeg direkte proporsjonal med innholdet i analytten X. Hvis en slik proporsjonal avhengighet ikke eksisterer, så det direkte målte (primære) analytiske signalet Jeg konvertert til et sekundært analytisk signal Jeg*. Velg en konverteringsmetode slik at det sekundære analytiske signalet Jeg* var direkte proporsjonal med mengden av stoffet som ble bestemt X. For eksempel, den elektriske motstanden til en løsning ( R) avhenger på en viss måte av konsentrasjonen av oppløst elektrolytt (C). Motstanden til løsningen som analyseres er lett å måle, men R som et analytisk signal er det upraktisk fordi når C øker, vil verdien R avtar, og ikke-lineært. Derfor, i konduktometrisk analyse, er sekundærsignalet den elektriske ledningsevnen til løsningen L, som er relatert til motstand R med følgende formel:

Løsningens elektriske ledningsevne Løker proporsjonalt ettersom konsentrasjonen av oppløst sterk elektrolytt øker. Dessuten fra alle verdiene L, oppnådd for samme type løsninger med forskjellige konsentrasjoner X, kan du trekke fra samme mengde L 0 - elektrisk ledningsevne til en løsning som ikke inneholder X."Korrigert" konduktivitetsverdi L* = L - L 0 er ikke bare lineært avhengig av konsentrasjon X, og er direkte proporsjonal med konsentrasjonen av elektrolytten i løsningen, det vil si L* = k C.

Ris. 1.1. Typiske kalibreringsgrafer for noen instrumentelle metoder: 1 - refraktometri; 2 - selvlysende analyse; 3 - potensiometri

Denne teknikken kalles bakgrunnssubtraksjon. Det brukes veldig ofte i instrumentelle metoder. Før man starter en måling, justeres mange instrumenter slik at de umiddelbart viser et korrigert signal direkte proporsjonalt med C. Skalaen til et slikt instrument kan kalibreres direkte i konsentrasjonsenheter. Noen ganger, for å sikre lineariteten til kalibreringsgrafer, transformerer de ikke ordinaten, men abscissen. For eksempel, i potensiometrisk analyse er det ikke innholdet som er plottet langs den horisontale aksen. X, og dens logaritme. Og i noen varianter av spektralanalyse utføres en dobbel transformasjon - de logaritmerer både signalet og konsentrasjonen, og bygger deretter en lineær grafisk avhengighet lgI fra lgС.

Elektrokjemiske metoder. De mest anvendelige elektrokjemiske analysemetodene inkluderer potensiometriske, polarografiske og konduktometriske.

P o t e n t i o m e t r i c METODE er basert på måling av elektrodepotensialer, som avhenger av aktiviteten til ioner, og i fortynnede løsninger på konsentrasjonen av ioner. Potensialene til metallelektroder bestemmes av Nernst-ligningen

Følgelig kan ionekonsentrasjonen bedømmes ut fra den potensielle verdien. Målecellen består av en måle(indikerende) elektrode og en referanseelektrode, som ikke er følsom for stoffet som bestemmes.

De blir stadig mer brukt ioneselektiv elektroder ved grenseflatene som ionebytterreaksjoner oppstår. Potensialet til den ioneselektive elektroden avhenger av aktiviteten, og i fortynnede løsninger, av ionekonsentrasjonen i henhold til Nernst-ligningen. De mest kjente er ioneselektive glasselektroder for måling av pH. En ionebytterreaksjon oppstår på overflaten av glasselektroden

Кt st + +Н р + Н st + +Кt р +

Kt st – glasskationer (K ​​+, Na +, Li +), indeks p betyr løsning.

I grensesnittet mellom glass og løsning oppstår et potensielt hopp, hvis størrelse avhenger av aktiviteten til hydrogenioner

En målecelle med glass og hjelpeelektroder er koblet til et pH-meter designet for å måle pH i løsninger.

Industrien produserer også ioneselektive elektroder for å bestemme konsentrasjonen av Na + , K + , NH 4 + , Cl - ioner (bestemmelsesgrense 10 -1 - 10 -6 mol/l) og Ca 2+ , Mg 2+ , NO 3 - ioner (grensebestemmelse 10 -1 – 10 -4 mol/l).

Konduktometri. Den elektriske ledningsevnen til fortynnede løsninger er proporsjonal med konsentrasjonen av elektrolytter. Derfor, ved å bestemme den elektriske ledningsevnen og sammenligne den oppnådde verdien med verdien på kalibreringsgrafen, kan du finne konsentrasjonen av elektrolytten i løsningen. Konduktometrimetoden bestemmer for eksempel det totale innholdet av urenheter i vann med høy renhet.

Kromatografisk analyse. Analysen er basert på kromatografi, som gjør det mulig å separere to- og flerkomponentblandinger av gasser, væsker og oppløste stoffer ved sorpsjonsmetoder under dynamiske forhold. Analysen utføres ved hjelp av spesielle instrumenter - kromatografer. Det er utviklet flere analysemetoder, som er klassifisert i henhold til prosessens mekanisme og arten av partiklene (molekylær, ionebytte, utfelling, partisjonskromatografi) og etter påføringsformer (søyle, kapillær, tynnsjikt og papir) . Molekylær kromatografi er basert på molekylers forskjellige adsorberbarhet på adsorbenter, ionebytterkromatografi er basert på den forskjellige evnen til å bytte ioner i en løsning. Utfellingskromatografi bruker den forskjellige løseligheten av utfellinger dannet av komponentene i den analyserte blandingen når de interagerer med reagenser påført på bæreren. Delingskromatografi er basert på differensialfordelingen av stoffer mellom to ikke-blandbare væsker. Molekylær (væskeadsorpsjon), ionebytter- og utfellingskromatografi utføres vanligvis i henholdsvis kromatografikolonner med en adsorbent, ionebyttermateriale eller en inert reagensbærer. Delingskromatografi utføres vanligvis på papir eller et tynt lag med absorbent.

Fordelene med den kromatografiske analysemetoden inkluderer hastighet og pålitelighet, evnen til å bestemme flere komponenter i en blanding eller løsning.

Optiske analysemetoder. Disse metodene er basert på måling av de optiske egenskapene til stoffer og stråling, interaksjonen mellom elektromagnetisk stråling med atomer eller molekyler av det analyserte stoffet, forårsaker stråling, absorpsjon eller refleksjon av stråler. De inkluderer emisjons-, luminescens- og absorpsjonsspektralmetoder.

Metoder basert på studiet av emisjonsspektre kalles UTSLIPPSPEKTRALE METODER analyse. I emisjonsspektroskopimetoden varmes en prøve av et stoff opp til svært høye temperaturer (2000-15000 °C). Når et stoff fordamper, dissosieres det til atomer eller ioner, som avgir stråling. Ved å passere gjennom spektrografen dekomponeres strålingen til komponenter i form av et spektrum av fargede linjer. Sammenligning av dette spekteret med referansedata om spektra av elementer gjør det mulig å bestemme typen element, og ut fra intensiteten til spektrallinjene, mengden av stoffet. Metoden gjør det mulig å bestemme mikro- og ultramikromengder av et stoff, analysere flere grunnstoffer, og på kort tid.

En type utslippsanalyse er e m i s s i o n a fime

fotometri, hvor testløsningen innføres i en fargeløs brennerflamme. Stofftypen bedømmes av endringen i flammens farge, og konsentrasjonen av stoffet bedømmes etter intensiteten av flammefargingen. Analysen utføres ved hjelp av en enhet - et flammefotometer. Metoden brukes hovedsakelig til analyse av alkali, jordalkalimetaller og magnesium.

Metoder basert på gløden til det analyserte stoffet under påvirkning av ultrafiolett (fotoluminescens), røntgenstråler (røntgenluminescens) og radioaktive (radioluminescens) stråler kalles LYSENDE. Noen stoffer har selvlysende egenskaper, mens andre stoffer kan lyse etter behandling med spesielle reagenser. Den luminescerende analysemetoden er preget av svært høy følsomhet (opptil 10 -10 - 10 -13 g selvlysende urenheter).

Metoder basert på studiet av absorpsjonsspektra for stråler av analyserte stoffer kalles a b so r b t i o n o – s p e c t r a l x. Når lys passerer gjennom en løsning, absorberes eller reflekteres lyset eller dets komponenter. Et stoffs natur og konsentrasjon bedømmes av mengden absorpsjon eller refleksjon av stråler.

I samsvar med Bouguer-Lambert-Beer-loven er avhengigheten av endringen i intensiteten til lysstrømmen som passerer gjennom løsningen på konsentrasjonen av det fargede stoffet i løsningen Med uttrykt ved ligningen

Lg(Jeg 0 / Jeg)=  lc

hvor I 0 og I er intensiteten av lysstrømmen som faller inn på løsningen og passerer gjennom løsningen,  er lysabsorpsjonskoeffisienten, avhengig av arten av det oppløste stoffet (molar absorpsjonskoeffisient); l– tykkelsen på det lysabsorberende løsningslaget.

Ved å måle endringen i lysintensitet kan konsentrasjonen av analytten bestemmes. Bestemmelsen utføres ved bruk av spektrofotometre og fotokolorimetre.

I med spektrofotometre bruke monokromatisk stråling, og i FOTO FARGE OG METRE- synlig lys. Dataene innhentet under målingen sammenlignes med graderte grafer bygget på standardløsninger.

Hvis absorpsjonen av stråler måles av atomer av analyttkomponenten, som oppnås ved å spraye en løsning av analytten inn i en brennerflamme, kalles metoden a t o m o - a b so r b t i o n(atomabsorpsjonsspektroskopi). Metoden lar deg analysere stoffer i svært små mengder.

En optisk metode basert på refleksjon av lys av faste partikler suspendert i løsning kalles nefelometrisk. Analysen utføres ved hjelp av nefelometer-enheter.

Dermed har bruken av lovene for elektrokjemi, sorpsjon, emisjon, absorpsjon eller refleksjon av stråling og samspillet mellom partikler med magnetiske felt gjort det mulig å lage et stort antall instrumentelle analysemetoder, preget av høy følsomhet, hastighet og pålitelighet besluttsomhet og evne til å analysere flerkomponentsystemer.