Інструментальні методи дослідження. Загальна характеристика інструментальних методів аналізу Способи визначення концентрацій інструментальних методів аналізу

Залежно від поставленого завдання виділяють 3 групи методів аналітичної хімії:

• 1) методи виявлення дозволяють встановити, які елементи чи речовини (аналіти) присутні у пробі. Їх використовують щодо якісного аналізу;
• 2) методи визначення дозволяють встановити кількісний вміст аналітів у пробі та використовуються для проведення кількісного аналізу;
• 3) методи поділу дозволяють виділити аналіт і відокремити компоненти, що заважають. Їх використовують під час проведення якісного та кількісного аналізу. Існують різні методи кількісного аналізу: хімічні, фізико-хімічні, фізичні та ін.

Хімічні методи засновані на використанні хімічних реакцій (нейтралізації, окислення-відновлення, комплексоутворення та осадження), в які вступає аналізована речовина. Якісним аналітичним сигналом є наочний зовнішній ефект реакції - зміна забарвлення розчину, утворення або розчинення осаду, виділення газоподібного продукту. При кількісних визначеннях, в якості аналітичного сигналу використовують обсяг газоподібного продукту, що виділився, масу осаду, що утворився, і об'єм розчину реагенту з точно відомою концентрацією, витрачений на взаємодію з визначеною речовиною.

Фізичні методи не використовують хімічні реакції, а вимірюють якісь фізичні властивості (оптичні, електричні, магнітні, теплові та ін.) аналізованої речовини, які є функцією його складу.

Фізико-хімічні методи використовують зміну фізичних властивостей аналізованої системи внаслідок перебігу хімічних реакцій. До фізико-хімічних відносять також хроматографічні методи аналізу, засновані на процесах сорбції-десорбції речовини на твердому або рідкому сорбенті в динамічних умовах, та електрохімічні методи (потенціометрія, вольтамперометрія, кондуктометрія).

Фізичні та фізико-хімічні методи часто об'єднують під загальною назвою інструментальні методи аналізу, тому що для проведення аналізу застосовують аналітичні прилади та апарати, що реєструють фізичні властивості або їх зміну. Під час проведення кількісного аналізу вимірюють аналітичний сигнал - фізичну величину, що з кількісним складом проби. Якщо кількісний аналіз проводиться з допомогою хімічних методів, то основі визначення завжди лежить хімічна реакція.

Розрізняють 3 групи методів кількісного аналізу:

• - Газовий аналіз
• - Титриметричний аналіз
• - Гравіметричний аналіз

Найбільше значення серед хімічних методів кількісного аналізу мають гравіметричні та титриметричні методи, які називають класичними методами аналізу. Ці методи є стандартними з метою оцінки правильності визначення. Основна сфера їх застосування - прецизійне визначення великих та середніх кількостей речовин.

Класичні методи аналізу широко використовуються на підприємствах хімічної промисловості для контролю ходу технологічного процесу, якості сировини та готової продукції, промислових відходів. На основі цих методів здійснюється і фармацевтичний аналіз – визначення якості ліків та лікарських засобів, що виробляються хіміко-фармацевтичними підприємствами.

Виконання кількісних визначень ваговим та об'ємним (титриметричним) методами хімічного аналізу іноді пов'язане з великими труднощами, головними з них є:

Необхідність попереднього відділення визначеної частини домішок;

Порівняно невелика чутливість, що обмежує застосування класичних методів аналізу малих кількостей обумовлених елементів;

Великі витрати часу (особливо у ваговому методі) для проведення повного аналізу.

Фізико-хімічні методивідрізняються підвищеною порівняно з класичними методами чутливістю і вибірковістю, тому для аналізу цими методами, як правило, потрібна незначна кількість речовини, що аналізується, а зміст певного елемента в зразку може бути надзвичайно мало.

Таким чином, фізико-хімічні методи аналізу відрізняються експресністю, вибірковістю, високою чутливістю.

За чутливістю перше місце займають мас-спектральний та радіоактиваційний методи аналізу. За ними слідують непогано застосовувані спектральний, спектрофотометричний і полярографічнийметоди.

Наприклад, чутливість визначення деяких елементів різними методами: Об'ємним можна визначити близько 10-1 % ; ваговим коло 10 -2 % ; спектроскопічним та фотоколориметричним 10 -3 -10 -5 % ; флуорометричним 10 -6 -10 -7 %; кінетичними 10 -6 -10 -8 %; радіохі мічними 10 -8 -10 -9 %; методом нейтронного активаційного аналізувизначають багато домішок у кількостях, менш 10 -8 -10 -9 % .

За точністю багато фізико-хімічних методів аналізу поступаються класичним,і особливо вагового методу. Нерідко, коли ваговим та об'ємним методами досягається точність, яка визначається сотими та десятими частками відсотка, при виконанні аналізу фізико-хімічні методами помилки визначень становлять 5-10 % , а іноді значно більше.

На точність визначень залежно від методу аналізу впливають різні чинники.

Наприклад, на точність емісійного аналізу впливають:

метод взяття середньої проби, аналізованої речовини;

мінливість джерела збудження (електричної дуги, іскри, полум'я пальника);

величина помилки фотометричного виміру;

негомогенность фотографічної емульсії (у разі спектрографії) тощо.

Крім відносно невисокої точності багато фізико-хімічних методів мають деякі інші недоліки. Наприклад, емісійна спектроскопія зручна лише під час проведення масових аналізів, оскільки визначення того чи іншого елемента у зразку потрібно калібрування приладу за стандартним зразком, що займає багато часу. Жоден із фізико-хімічних методів аналізу не є універсальним.

Слід зазначити, що, попри прогрес інструментальних методів аналізу, дозволяють вирішувати хіміко-аналітичні завдання, класичні методи аналізу втратили свого значення і є основою сучасної аналітичної хімії.

Усі методи кількісного аналізу, фізичні та фі-

Зико-хімічні методи аналізу поділяються на такі групи: електрохімічні; спектральні (оптичні); хроматографічні; радіометричні; масспектрометричні.

Електрохімічні методи аналізу.До групи електрохімічних методів аналізу належать такі види аналізу.

Електроваговий аналіззаснований на виділенні з розчинів електролітів речовин, що осідають на електродах при проходженні через розчини постійного електричного то-

ка. Метал або (оксид), що виділився при електролізі, зважують на аналітичних вагах і по масі осаду судять про вміст визначається речовини в розчині.

Полярографіязаснована на зміні сили струму, що змінюється в залежності від величини напруги в процесі електролізу, в умовах, коли один з електродів (катод) має дуже малу поверхню (поляризується електрод), а інший (анод) - велику (неполяризується електрод). Катадом, що поляризується, є краплі ртуті, що випливають з тонкого отвору капілярної трубки, а також платиновий (обертається), графітовий, срібний та інші електроди. Неполяризується анодом є "дана" ртуть або стандартні електроди порівняння з великою поверхнею. Силу струму, коли він досягається повний розряд всіх іонів аналізованої речовини, які у приэлектродное простір внаслідок дифузії, називають граничним дифузійним струмом. Величина цього струму пропорційна вихідної концентрації обумовленої речовини (іонів) у розчині.

Амперометричне титрування, що є різновидом полярографічного аналізу засноване на зміні в процесі титрування розчину визначається речовини величини гранично дифузійного струму, що проходить через розчин при постійній напрузі між індикаторним поляризується і неполяризується електродом порівняння.

Кулонометріязаснована на зміні кількості електрики, витраченої на електроліз певної кількості речовини при постійному потенціалі, що відповідає потенціалу виділення даного елемента. В основі цього лежить закон Фарадея.

Метод титрування, у якому точка еквівалентності відповідає моменту, коли сила струму електролізу досягає величини "фонового" струму, називають кулонометричним титруванням. Зазвичай сила фонового струму дорівнює 0 , т.к. розчин у цей момент не містить заряджених частинок.

Кондуктометріязаснована на вимірі електропровідності аналізованих розчинів, що змінюється в результаті хімічних реакцій і залежить від природи електроліту, його температури та концентрації розчину.

Метод титрування, при якому точку еквівалентності фіксує по перетині двох прямих, що відображають зміну еквівалентної електропровідності досліджуваного розчину в міру додавання титранта в процесі титрування, називають кондуктометричним титруванням.

Спектральні (оптичні) методи аналізу.До групи спектральних методів аналізу належать такі методи.

Емісійний спектральний аналіз- фізичний метод, заснований на вивченні емісійних спектрів парів аналізованої речовини (спектрів випромінювання або вивчення), що виникають під впливом сильних джерел збуджень (електричної дуги, високовольтної іскри); цей метод дає змогу визначати елементний склад речовини; тобто. судити про те, які хімічні елементи входять до складу цієї речовини.

Фотометрія полум'я, що є різновидом емісійного спектрального аналізу, заснована на вивченні емісійних спектрів елементів аналізованої речовини,

виникають під вплив м'яких джерел збудження. У цьому методі аналізований розчин розпорошують в полум'ї. Цей метод дає можливість судити про вміст аналізованого зразка головним чином лужних і лужноземельних металів, а також деяких інших елементів, наприклад, галію, індію, талію, свинцю, марганцю, міді, фосфору.

Абсорбційна спектроскопіязаснована на вивченні спектрів поглинання речовини, що є його індивідуальною характеристикою. Розрізняють спектрофотометричний

метод, заснований на визначенні спектра поглинання або вимірюванні світлопоглинання (як в ультрафіолетовій, так і у видимій та інфрачервоній областях спектру) при строго визначеній довжині хвилі (монохроматичне випромінювання), яке відповідає максимуму кривої поглинання даної досліджуваної речовини, а також фотоколориметричний метод, заснований на визначенні спектра поглинання або вимірювання світлопоглинання у видимій ділянці спектра.

Турбодиметріязаснована на вимірюванні інтенсивності світла, що поглинається незабарвленою суспензією твердої речовини. У турбодиметрії інтенсивність світла, поглиненого розчином або пройшов через нього, вимірює також як у фотоколометрії забарвлених розчинів.

Нефелометріязаснована на вимірюванні інтенсивності світла, відбитого або розсіяного забарвленої або незабарвленої суспензією твердої речовини (зваженого в цьому середовищі осаду).

Люмінесцентний,або флуоресцентний, метод аналізу заснований на вимірюванні інтенсивності видимого світла, що випромінюється речовинами (флуоресценцією) при опроміненні їх ультрафіолетовими променями.

До оптичних методів аналізу також належать рефрактометричний метод,заснований на вимірі коефіцієнта заломлення, та поляриметричний,заснований на ізу-

ченні обертання площини поляризації.

Хроматографічні методи аналізу.За механізмом поділу розрізняють кілька видів хроматографічних методів аналізу.

Адсорбційна рідинна хроматографіязаснована на вибірковій адсорбції (поглинанні) окремих компонентів аналізованої суміші в рідкому середовищі. Вона обумовлена ​​різною адсорбованістю розчинених компонентів.

Адсорбційна газова хроматографіязаснована на використанні відмінності в адсорбованості газів та парів. У за-

висимості від основного фактора, що визначає поділ, розрізняють такі види газової хроматографії: газо-рідинну та газо-адсорбційну.

Розподільча хроматографіязаснована на використанні відмінності в розподілі (сорбируемости) окремих компонентів аналізованої суміші між двома рідкими фазами, що не змішуються, - рухомим і нерухомим розчинниками.

Паперова хроматографіярізновид розподільчої хроматографії, в якій носієм для нерухомого розчинника є смужки або листи фільтрувального паперу, що не містить мінеральних домішок.

Іонообмінна хроматографіязаснована на використанні іонообмінних процесів, що протікають між рухомими полями адсорбенту та полями електроліту, що містяться в аналізованому розчині.

Мас-спектрометричні методи аналізу.Мас-спектрометричні методи аналізу ґрунтуються на визначенні окремих іонізованих атомів, молекул і радикалів за допомогою поділу витоків іонів, що містять частинки з різним ставленням маси до заряду внаслідок комбінованої дії електричного та магнітного полів.

Фізико-хімічний аналіз з Н.С. Курнакову.Метод запропонований Н.С. Куржаковим, дозволяє вивчати фі-

зичні властивості систем залежно від їхнього хімічного складу. Наприклад, для аналітичних цілей можуть бути використані криві залежності температури плавлення від складу свинцево-олов'яного сплаву.

Цей метод називається фізико-хімічним аналізом. Не слід змішувати поняття “фізико-хімічний метод аналізу.

за” з поняттям “фізико-хімічний аналіз”.

Якщо в процесі нагрівання або охолодження досліджуваної речовини в об'єкті, що аналізується, не спостерігаються фазові перетворення, пов'язані з виділенням або поглинанням

тепла, то криві нагрівання чи охолодження характеризуються плавним ходом. Якщо ж у системі відбуваються фазові перетворення, то на кривій зміни температур в залежності від характеру цих перетворень протягом деякого проміжку часу спостерігаються горизонтальні ділянки при незмінній температурі або різкі перегини кривої. Подібна крива охолодження дає змогу судити про всіх фазовихперетвореннях, які у досліджуваному зразку у процесі охолодження.

Інші методи аналізу.Метод електронного парамагнітного резонансу (ЕПР)- заснований на використанні явища резонансного поглинання електромагнітних хвиль парамагнітними частинками у постійному магнітному полі та успішно застосовується для вимірювання концентрації парамагнітних речовин, дослідження окисно-відновних реакцій, вивчення хімічної кінетики та механізму хімічних реакцій тощо.

Метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР)заснований на використанні резонансного поглинання електромагнітних хвиль досліджуваним речовиною постійному магнітному полі, обумовленого ядерним магнетизмом. Метод ЯМРзастосовується на дослідження комплексних сполук, стану іонів у розчині, вивчення хімічної кінетики тощо.

Висновок

Сучасна хімія охоплює велику область людських знань, оскільки є наукою, що вивчає речовини та закони їх перетворення. Хімія перебуває у безперервному розвитку та глибоко розкриває основні закони, що дозволяють визначити поведінку електронів в атомах та молекулах, розробити методи розрахунку структур молекул та твердих тіл, теорії хімічної кінетики та хімічної рівноваги. Керуючись основними законами хімічної термодинаміки, хімія дозволяє оцінити спрямованість хімічних процесів та глибину їхнього протікання. Важливу інформацію дає вивчення кристалічного стану речовин.

Ці питання дозволять студентам освоїти розділи хімії, які не вивчались у середній школі або частково вивчалися.

Знання, набуті у цій частині курсу хімії необхідні вивчення спеціальних розділів (властивості розчинів, окислювально-відновлювальні реакції, електрохімічні процеси, фізико-хімічні властивості речовин)

Базові теми посібника можуть бути корисними у діяльності фахівців будь-якої галузі техніки. Розуміння основних законів хімії, вміння працювати з навчальною та спеціальною літературою дозволить фахівцям знаходити оптимальні рішення завдань, що стоять перед ними.

Також представлені розділи хімії, що мають важливе значення у практичній діяльності фахівців радіо- та електротехнічного напряму. Розглянуто електрохімічні процеси (робота гальванічних елементів, електроліз), наведено приклади хімічних джерел струму та технічного застосування електролізу.

Надійність і довговічність виробів електронної техніки залежить від корозійної стійкості окремих деталей приладів, тому в посібнику розглянуто основні закономірності корозійних процесів, дана їх класифікація, представлені два механізми їх протікання: хімічний та електрохімічний, а також наведені способи та методи захисту від хімічної та електрохімічної корозії.

На основі відомостей, представлених у цьому посібнику, показані деякі фізико-хімічні властивості металів та напівпровідників (електропровідність, магнітні властивості). Дано поняття про хімічну ідентифікацію речовин на основі якісного та кількісного методів аналізу.

Знання необхідні щодо наступних курсів, таких як матеріалознавство, опір матеріалів, теоретичні основи різних технологічних процесів в електроніці, електротехніці, мікроелектроніці, радіотехніці, енергетиці та інших напрямах підготовки фахівців.

Науково-технічний прогрес не можливий без розвитку хімії, що створює нові речовини з новими властивостями, які можуть бути використані у різних галузях промисловості.

При контролі забруднення навколишнього середовища аналітичні методи повинні дозволяти проводити визначення як слідових кількостей елементів (на рівні n·10 -3 -n·10 -7 %), так і при високих рівнях забруднення, причому бажано одночасно у різноманітних об'єктах, що відрізняються фізичними властивостями та хімічним складом.

Коли будь-який метод аналізу порівнюється з іншими, необхідно брати до уваги низку факторів, які в сукупності характеризують метод. До них відносяться:

галузь застосування- об'єкти аналізу та номенклатура речовин (неорганічних та органічних), визначення яких можливе з використанням даного методу;

робочий діапазон визначених концентрацій- інтервал, в якому можливе визначення компонента без застосування додаткових стадій розведення або концентрування;

селективність визначення- можливість визначення речовини, що цікавить, у присутності або при впливі заважаючих компонентів і факторів, наприклад матричні ефекти;

метрологічні характеристики(чутливість визначення, межі виявлення, відтворюваність та правильність одержуваних результатів вимірювань тощо);

здатність до розпізнавання різних фізико-хімічних форм контрольованих речовин у різних матрицях, наприклад, іони у різному валентному стані;

продуктивність обладнання, Придатність для виконання масових вимірювань;

апаратурне обладнання- складність апаратурного оснащення та його вартість, можливість застосування у виробничих та польових умовах;

вимоги до підготовки та кваліфікації персоналу(Лаборант, інженер, необхідність спеціальної підготовки).

Методи, які однаково задовольняли б усім вищезгаданим вимогам, поки що не розроблені, проте основні умови можуть бути дотримані при використанні сучасних фізико-хімічних методів аналізу та їх комбінацій.

1. Характеристики найпоширеніших інструментальних методів аналізу

Електроаналітичні (електрохімічні)методи. У тому основі лежать електрохімічні процеси в розчинах. Ці методи давно відомі і часто знаходять застосування при повсякденному контролі об'єктів довкілля, мають переваги з погляду низької вартості апаратурного обладнання та необхідних витрат на експлуатацію приладів. Переваги електрохімічних методів аналізу:

Висока чутливість і селективність, швидкість відгуку зміну складу аналізованого об'єкта;

Велика номенклатура хімічних елементів і речовин, що визначаються;

Широкі інтервали вимірюваних концентрацій від десятків % до n*10 -8 %;

Правильність та висока відтворюваність результатів (відносне стандартне відхилення результатів аналізу у більшості ЕМА менше 0.3);

Можливість визначення поряд з валовим вмістом та фізико-хімічних форм визначених елементів;

Простота апаратурного оформлення, доступність апаратури та мінімальна вартість аналізу;

Можливість використання в лабораторних, виробничих та польових умовах, легкість автоматизації та дистанційного керування.

Представляют область аналітичної хімії, дуже перспективну для вдосконалення апаратурного оформлення та автоматизації за допомогою мікропроцесорів.

Таблиця 1 Класифікація інструментальних методів аналізу

Назва методу та його варіанти	Визначаються компоненти	Межа виявлення, мг/л (мг/кг)	Діапазон лінійності
Електроаналітичні методи
Вольтамперометрія (полярографія)	іони металів та їх зв'язані форми, гази		специф. але пор. почуттів.
Потенціометрія	неорганічні іони
Іонометрія з іоноселективними електродами	неорганічні іони
Кулоно- та кондуктометрія	неорганічні. з'єднання, гази
Спектральні методи аналізу
Молекулярна спектрометрія
Спектрофотометрія у видимій області	неорганічні та органічні сполуки		прості та шир.прим.
УФ-спектрофотометрія	неорг. та органічні в-ва
ІЧ-спектрометрія КР-спетрометрія	ідентифікація орг. речовин		високоспец
Атомна спектрометрія
Атомно-абсорбційна спектрометрія	хімічні елементи, головним чином метали
Атомно-емісійна спектрометрія	понад 70 хімічних елементів
Атомна флуоресцентна спектрометрія	органічні речовини та металоорганічні комплекси
Радіоспектроскопічні методи
Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР)	Макрокомпоненти, вільні радикали.		високоспецифічні,
Ядерний магнітний резонанс (ЯМР)	органічні сполуки, що містять ядра Н, С, F, P		малочутливі.
Мас-спектрометричні
Мас-спектрометрія	Сліди елементів
Хроматографічні методи
Газова хроматографія	гази, леткі органічні сполуки	Залежить від типу	високоспецифічні,.
Газорідинний хроматограф.	органічні сполуки	детектора
Високоефективна рідинна хроматографія	нелеткі органічні сполуки		застосовуються.
Ядерно-фізичні методи
Нейтронно-активаційний аналіз	хімічні елементи, крім легких		вимагають спец.
-, - та - радіометрія	радіонукліди
-, - та - спектрометрія

* - сильно залежить від обумовленого елемента; ** - залежить від використовуваного детектора

Недоліки – ефект взаємного впливу елементів, неможливість багатоелементного визначення, вплив органічних речовин.

Спектральні методи аналізузасновані на використанні взаємодії атомів чи молекул визначених речовин із електромагнітним випромінюванням широкого діапазону енергій. У порядку зменшення енергії, це можуть бути: гамма кванти, рентгенівське випромінювання, ультрафіолетове та видиме, інфрачервоне, мікрохвильове та радіохвильове випромінювання.

Взаємодія молекул або атомів речовини з різними формами енергії знаходить прояв у трьох тісно пов'язаних один з одним спектроскопічних явищ - емісії, адсорбції та флуоресценції, які так чи інакше використовуються в аналітичній техніці. Аналітичним сигналом може бути випромінювання або поглинання випромінювання речовиною, тому розрізняють два види спектрального аналізу: абсорбційнуспектроскопію (використовує спектри поглинання) та емісійнуспектроскопію (спектри випромінювання).

Спектральні методи аналізу почали розвиватися ще з середини XIX століття і до теперішнього часу набули загального поширення в якісному та кількісному аналізі. Широке застосування спектральних методів аналізу обумовлено їх універсальністю, вибірковістю, низькими межами виявлення, експресністю, можливістю автоматизації як окремих стадій, так і всього процесу аналізу в цілому. Сучасні спектральні прилади мають автоматизовані системи введення проб, вбудовані мікропроцесори, які керують процесом проведення аналізу, обробляють дані експерименту та видають їх у зручній для споживача формі.

До групи спектральних методів аналізу належать:

молекулярно-абсорбційний спектральний аналіз у видимій, УФ- та ІЧ-області;

метод аналізу за спектрами комбінаційного розсіювання світла;

люмінесцентний чи флуоресцентний аналізи;

атомно-емісійний, атомно-абсорбційний та атомно-флуоресцентний аналізи;

радіоспектроскопічні методи аналізу (ЕПР-спектроскопія, ЯМР-спектроскопія).

Молекулярна спектрометрія. Залежно від використовуваного енергетичного діапазону оптичні методи аналізу діляться на спектроскопію у видимій та ультрафіолетовій областях спектру (діапазон довжин хвиль від 200 до 700 нм, 1 нм = 10 -9 м) та інфрачервону спектрометрію (від довжин хвиль, при яких світло стає невидимим для очей людини ~ 780 нм до області, де випромінювання вже має властивості високочастотних радіохвиль ~ 0.5 мм). Класичні фотометрії і спектрофотометрії все ще знаходять широке застосування (мікропроцесорне управління, що дозволяє повністю автоматизувати процес вимірювання). Інфрачервона спектрометрія особливо корисна для ідентифікації та встановлення структури органічних сполук. КР-спетрометрія.

Атомна спектрометрія. В останні 20-30 років зросла роль атомно-абсорбційної та атомно-емісійної спектрометрії. Методи вимагають складнішої та найдорожчої апаратури, але дозволяють виконувати масові аналізи та визначати більшість хімічних елементів у матрицях найрізноманітнішого складу з вкрай низькими межами виявлення (при абсолютному вмісті ~ 10 -14 г). Ці інструментальні методи аналізу стають звичайними (рутинними) навіть у невеликих лабораторіях контролю навколишнього середовища, особливо при контролі забруднення атмосфери та природних вод, коли найпростіша попередня пробопідготовка або концентрування (екстракція, упарювання проб води або уловлювання атмосферних забруднень на фільтр.

Атомно-флуоресцентнаСпектрометрія також дозволяє визначати різні елементи, але на основі перевипромінювання світлової енергії, поглиненої вільними атомами.

ЕПР-спектрометрія. Методом ЕПР досліджуються молекули, атоми та радикали в газовому середовищі, розчинах та різних типах матриць. ЕПР - один з найбільш чутливих методів виявлення та ідентифікації вільних радикалів, встановлення їх електронної конфігурації та геометрії. Метод застосовується для дослідження комплексних сполук, зокрема сполук перехідних та рідкісноземельних металів.

Спектроскопія ядерного магнітного резонансу- метод вимірювання відносної енергії та стану ядерних спинів молекули у магнітному полі. Метод придатний для вивчення атомів, які мають ядерний спин, і може застосовуватися для кількісного та якісного аналізу, особливо при аналізі сполук з невідомою структурою. Найчастіше використовується стосовно ядрів 1 H, 19 F і 31 P.

Мас-спектрометрія. Цим методом аналізують речовину, перетворюючи їх у іони і поділяючи їх у електричному чи магнітному полі.

Методи молекулярної спектрометрії (ІЧ-, УФ-, ЯМР-, ЕПР- і мас - спектрометрія) більше пов'язані з встановленням структури та дослідженням механізму процесів, що протікають, ніж з простою ідентифікацією складу.

Хроматографічніметоди. Фактично, хроматографія є способом поділу сумішей. Після поділу суміші на компоненти здійснюється їх ідентифікація та кількісне визначення. Для цього використовуються спеціальні пристрої, які називаються детектором і засновані на різних принципах вимірювання кількості або концентрації речовини - від найпростіших термоелементів або фотометрів до мас-спектрометрів високої роздільної здатності в комплексі з мікропроцесором. Інструментальна хроматографіяє гібридним методом: хроматографічна колонка поділяє компоненти проби на окремі зони, а детектор зазвичай вимірює концентрацію розділених компонентів у фазі-носія після їх виходу з колонки.

Хроматографічні методи, особливо газорідинна та високоефективна рідинна хроматографія, часто виявляються незамінними при аналізі складних багатокомпонентних сумішей, а також для ідентифікації та кількісного визначення органічних речовин зі схожою структурою. Особливо швидко розвиваються методи, що поєднують хроматографічне поділ суміші аналізованих речовин на компоненти і подальше їх визначення за допомогою мас-або ІЧ-спектрометрії (хромато-мас- спектрометрія ГЖХ-МС, газорідинна хроматографія - фур'є-спектроскопія в інфрачервоній області ГЖХ-ІК-Ф

Ядерно-фізичніметоди займають особливе становище і застосовуються більш обмежено, оскільки вимагають спеціально підготовлених лабораторій, дотримання безлічі вимог радіаційної безпеки і придатні лише визначення радіоактивних ізотопів хімічних елементів, які мають специфічними ядерно-фізичними характеристиками - явищем радіоактивного розпаду.

Жоден з перерахованих методів аналізу не є універсальним з точки зору придатності для визначення змісту всіх компонентів, що цікавлять, і в будь-яких об'єктах контролю.

При виборі конкретного методу аналізу насамперед підлягають такі питання:

групові характеристики та особливості фізико-хімічних властивостей забруднювача, що підлягає контролю;

Хімічний склад та фізичні властивості контрольованих об'єктів;

Можливий діапазон зміни концентрацій речовини, що визначається, в об'єктах контролю;

Метрологічні характеристики методу: чутливість (межа виявлення), точність та правильність (селективність, відтворюваність результатів визначень, відсутність перешкод визначенню з боку супутніх компонентів тощо);

Вимоги до способу підготовки проби речовини перед вимірюванням;

Час, що витрачається на одиничний вимір;

Загальна тривалість аналізу з урахуванням пробопідготовки, вимірювання та видачі результатів;

Можливість автоматизації процесу пробопідготовки, вимірювання та видачі результатів аналізу.

Останні чотири пункти особливо важливі під час виборів методу, придатного до виконання масових аналізів.

Інструментальні методи аналізу отримали назву завдяки використанню відповідних інструментів. За визначенням IUPAC (Міжнародного Союзу чистої та прикладної хімії), інструментом називають пристрій, який використовують для спостереження певного об'єкта, вимірювання або повідомлення даних про стан речовини. Пристрій замінює дії людини, доповнює чи збільшує її можливості.

В інструментальних методах аналізу як інструменти застосовують різного типу прилади, призначені для проведення основних процедур аналізу, вимірювання фізичних та фізико-хімічних властивостей речовин, а також реєстрації результатів вимірювання. За рахунок сучасних комп'ютеризованих приладів чутливість аналізу може бути істотно підвищена. Багато фізико-хімічних властивостей специфічні.

Усі інструментальні (фізичні та фізико-хімічні) методи засновані на вимірі відповідних фізичних величин, які характеризують визначувану речовину в об'єкті, що аналізується.

До кожного інструментального методу використовують відповідний аналітичний сигнал. У таблиці 1 наведені приклади аналітичних сигналів та відповідних їм методів, які відносяться до двох найважливіших груп - до електрохімічних методів аналізу та оптичних методів аналізу. До цих груп відносять і деякі інші методи, не показані в таблиці. Наприклад, до оптичних методів відносять люмінесцентний, атомно-абсорбційні та інші спектроскопічні методи, нефелометрію, турбідиметрію та поляриметрію.

Крім електрохімічних та оптичних методів відомі й інші групи методів. Так, наприклад, методи, в яких вимірюють радіоактивність, належать до ядерно-фізичних методів. Використовують також мас-спектрометричні методи, термічні методи та ін. Ця класифікація умовна і не є єдиною можливою.

Залежність аналітичного сигналу від вмісту речовини Хназивають градуювальною функцією. Її записують як рівняння виду I = f(C). У цьому рівнянні символом Cпозначають вміст речовини, що визначається Х, яке може бути виражене в різних одиницях, наприклад, одиницях кількості речовини (моль), одиницях маси (г, кг), одиницях молярної концентрації (моль/дм 3). Ці одиниці прямо пропорційні між собою. Величину аналітичного сигналу у випадку позначають символом Iхоча в окремих методах використовують специфічні позначення (див. табл. 1). У кожному методі градуювальні функції однотипні, але точний вид градуювальної функції для конкретної методики залежить від природи речовини, що визначається. Хта умов вимірювання сигналу. Так, у всіх варіантах рефрактометричного аналізу аналітичним сигналом є показник заломлення світлового променя (n), який лінійно залежить від вмісту речовини Ху досліджуваному розчині ( I= n = a + k З). Це означає, що при рефрактометричному визначенні будь-якої речовини графік прямолінійний, але не проходить через початок координат (рис. 1). Чисельні значення константа а і k залежать від того, який компонент визначають і в яких умовах (розчинник, температура, довжина хвилі) вимірюють показник заломлення.

Таблиця 1. Приклади інструментальних методів аналізу

Електрохімічні методи	Аналітичний сигнал	Вид градуювальної функції
	Первинний, I	Вторинний, I*
Кондуктометрія	Електричний опір, R	Електрична провідність, L	L= a + k
Потенціометрія	Е.Д.С. електрохімічної комірки, Е	Потенціал електрода, Е	Е= a + lg b
Вольтамперометрія	Сила струму, i	Граничний дифузний струм, i d	i d= k
Кулонометрія	Кількість електрики, Q
Електрогравіметрія	Маса продукту електролізу, m
Оптичні методи	Аналітичний сигнал	Вид градуювальної функції
	Первинний, I	Вторинний, I*
Атомно-емісійний спектральний аналіз	Фотострум, i; відносне почорніння, S	i= a C b S= a + k lgC
Спектрофотометрія	Оптична щільність, D	D = l C
Рефрактометрія	Показник заломлення, n	n = n - n o	n = n 0 + kC

У багатьох методах залежність сигналу від концентрації описується нелінійними функціями, наприклад, у люмінесцентному аналізі це показова функція ( I= kC n) , у потенціометрії – логарифмічна функція (Е = Е 0 + k lgС) і т.д. Незважаючи на зазначені відмінності, всі градуювальні функції схожі тим, що в міру зростання величини C (зміст речовини, що визначається Х) величина сигналу змінюється безперервно, а кожному значенню відповідає лише одне значення I.

Градуювальні функції встановлюють експериментальним шляхом, використовуючи стандартні зразки порівняння (еталони), які містять різну точно відому кількість визначеної речовини Х.Дані, отримані в результаті вимірювання сигналу для кожного зразка, дозволяють представити градуювальну функцію у вигляді таблиці, графіка або формули алгебри. Якщо тепер вимірювати тим самим приладом аналітичний сигнал досліджуваної проби за тих же умов, що і сигнал еталона, то за величиною такого сигналу можна буде визначити зміст Хв досліджуваній пробі за допомогою градуювальної функції.

Легко розрахувати результат аналізу, якщо сигнал Iпрямо пропорційний до змісту визначеної речовини Х.Якщо ж такої пропорційної залежності немає, то безпосередньо виміряний (первинний) аналітичний сигнал Iперетворюють на вторинний аналітичний сигнал I*. Вибирають такий спосіб перетворення, щоб вторинний аналітичний сигнал I* був прямо пропорційний кількості визначеної речовини Х.Так, наприклад, електричний опір розчину ( R) певним чином залежить від концентрації розчиненого електроліту (С). Опір аналізованого розчину легко виміряти, але застосовувати Rяк аналітичний сигнал незручно тому, що при зростанні величина Rзменшується, причому нелінійно. Тому в кондуктометричному аналізі вторинним сигналом є електропровідність розчину Lяка пов'язана з опором Rнаступною формулою:

Електропровідність розчину Lпропорційно зростає зі зростанням концентрації розчиненого сильного електроліту. Крім того, з усіх значень Lотриманих для однотипних розчинів з різною концентрацією Х, можна відібрати одну і ту ж величину L 0 - електропровідність розчину, що не містить Х.«Виправлена» величина електропровідності L* = L - L 0 не просто лінійно залежить від концентрації Ха прямо пропорційна концентрації електроліту в розчині, тобто L* = k C.

Мал. 1.1. Типові градуювальні графіки для деяких інструментальних методів: 1 – рефрактометрія; 2 – люмінесцентний аналіз; 3 - потенціометрія

Такий прийом називається відніманням фону. В інструментальних методах його використовують дуже часто. Багато пристроїв перед початком вимірювання налаштовують так, щоб вони відразу ж показували виправлений сигнал, прямо пропорційний С. Шкалу такого приладу можна проградуювати прямо в одиницях концентрації. Іноді задля забезпечення лінійності градуювальних графіків перетворюють не ординату, а абсцису. Наприклад, у потенціометричному аналізі відкладають по горизонтальній осі не вміст Х, а його логарифм. А в деяких варіантах спектрального аналізу проводять подвійне перетворення – логарифмують і сигнал, і концентрацію, а потім будують прямолінійну графічну залежність. lgIвід lgС.

Електрохімічні способи.До найбільш застосовних електрохімічних методів аналізу належать потенціометричний, полярографічний та кондуктометричний.

Пот е н ц о м е т р і ч е с к і й м е т о дбазується на вимірі електродних потенціалів, які залежать від активності іонів, а в розчинах розбавлених від концентрації іонів. Потенціали металевих електродів визначаються рівнянням Нернста

Відповідно до значення потенціалу можна судити про концентрацію іонів. Вимірювальна комірка складається з вимірювального (індикаторного) електрода та електрода порівняння, який не чутливий до речовини, що визначається.

Все ширше застосування знаходять і о н о с е л е к т і в ніелектроди, на межах розділу фаз яких протікають іонообмінні реакції. Потенціал ионоселективного електрода залежить від активності, а розведених розчинах – від концентрації іонів відповідно до рівнянням Нернста. Найбільш широко відомі іонселективні скляні електроди для вимірювання рН. На поверхні скляного електрода відбувається реакція іонного обміну

Кt ст + +Н р + Н ст + +Кt р +

Кt ст – катіони скла (К+, Na+, Li+), індекс р означає розчин.

На межі скла та розчину виникає стрибок потенціалу, величина якого залежить від активності іонів водню

Вимірювальна комірка зі скляним та допоміжним електродами з'єднана з приладом рН-метром, призначеним для вимірювання рН розчинів.

Промисловістю також випускаються ионселективные електроди визначення концентрації іонів Na + ,K + , NH 4 + , Cl - (межа визначення 10 -1 – 10 -6 моль/л) і іонів Ca 2+ , Mg 2+ ,NO 3 - (межа визначення 10 -1 - 10 -4 моль/л).

Кондуктометрія.Електрична провідність розведених розчинів пропорційна концентрації електролітів. Тому, визначивши електричну провідність і порівнявши отримане значення зі значенням калібрувальному графіку, можна знайти концентрацію електроліту в розчині. Методом кондуктометрії, наприклад, визначають загальний вміст домішок у воді високої чистоти.

Хроматографічний аналіз.Аналіз заснований на хромотографії, що дозволяє розділяти дво- та багатокомпонентні суміші газів, рідин і розчинених речовин методами сорбції в динамічних умовах. Аналіз здійснюється за допомогою спеціальних приладів – хроматографів. Розроблено кілька методів аналізу, які класифікуються за механізмом процесу та природою частинок (молекулярна, іонообмінна, осадова, розподільча хроматографія) та за формами застосування (колонова, капілярна, тонкошарова та паперова). Молекулярна хроматографія заснована на різній адсорбованості молекул на адсорбентах, іонообмінна хроматографія - на різній здатності до обміну іонів розчину. В осаджувальній хроматографії використовується різна розчинність опадів, що утворюються компонентами аналізованої суміші при взаємодії з реактивами, нанесеними на носій. Розподільна хроматографія базується на різному розподілі речовин між двома рідинами, що не змішуються. Молекулярна (рідинна адсорбційна), іонообмінна та осаджуюча хроматографія зазвичай проводяться в хроматографічних колонках відповідно з адсорбентом, іонообмінним матеріалом або інертним носієм з реагентом. Розподільна хроматографія, як правило, виконується на папері або на тонкому шарі абсорбенту.

До переваг хроматографічного методу аналізу відносяться швидкість і надійність, можливість визначення кількох компонентів суміші або розчину.

Оптичні методи аналізу.Ці методи засновані на вимірі оптичних властивостей речовин та випромінювань, взаємодії електромагнітного випромінювання з атомами або молекулами аналізованої речовини, що викликає випромінювання, поглинання або віддзеркалення променів. Вони включають емісійні, люмінесцентні та абсорбційні спектральні методи.

Методи, засновані на вивченні спектрів випромінювання, отримали назву е м і с с о н н их с п е к т р а л ь н их мет одіваналізу. У методі емісійної спектроскопії проба речовини нагрівається до високих температур (2000-15000 С). Речовина, випаровуючись, дисоціює на атоми чи іони, що дають випромінювання. Проходячи через спектограф, випромінювання розкладається на компоненти як спектра кольорових ліній. Порівняння цього спектра з довідковими даними спектрах елементів дозволяє визначити вид елемента, а, по інтенсивності спектральних ліній – кількість речовини. Метод дає можливості визначати мікро- та ультрамікро-кількості речовини, аналізувати кілька елементів, причому за короткий час.

Різновидом емісійного аналізу є е м і с с і н н а я пл ам е н н я

фото метр,в якій досліджуваний розчин вводять у безбарвне полум'я пальника. За зміною кольору полум'я судять про вид речовини, а за інтенсивністю фарбування полум'я – концентрацію речовини. Аналіз виконують за допомогою приладу – полум'яного фотометра. Метод в основному використовується для аналізу лужних, лужноземельних металів та магнію.

Методи, засновані на світінні аналізованої речовини під впливом ультрафіолетових (фотолюмінесценція), рентгенівських (рентгенолюмінесценція) та радіоактивних (радіолюмінесценція) променів називають л ю м і н е с ц е н т н і м і.Деякі речовини мають люмінесцентні властивості, інші речовини можуть люмінесцувати після обробки спеціальними реактивами. Люмінесцентний метод аналізу характеризується дуже високою чутливістю (до 10 -10 - 10 -13 г люмінесцентних домішок).

Методи, засновані на вивченні спектрів поглинання променів аналізованими речовинами, дістали назву а б с о р б ц і о н н о – з пе к ​​т р а ль н их.При проходженні світла через розчин світло чи його компоненти поглинаються чи відбиваються. За величиною поглинання або відображення променів судять про природу та концентрацію речовини.

Відповідно до закону Бугера – Ламберта – Бера залежність зміни інтенсивності потоку світла, що пройшов через розчин, від концентрації забарвленої речовини у розчині звиражається рівнянням

Lg(I 0 / I)=  lc

де I 0 і I – інтенсивність потоку світла, що падає на розчин і пройшов через розчин,  - коефіцієнт поглинання світла, що залежить від природи розчиненої речовини (молярний коефіцієнт поглинання); l- Товщина шару світлопоглинаючого розчину.

Вимірявши зміну інтенсивності потоку світла, можна визначити концентрацію аналізованої речовини. Визначення ведуть за допомогою спектрофотометрів та фотоколориметрів.

У з п о к т р о ф о т о м е т р а хвикористовують монохроматичне випромінювання, а в ф о т о к о л о р і метрах- видиме світло. Порівнюють отримані при вимірі дані з градуйованим графіками, побудованими на стандартних розчинах.

Якщо вимірюють поглинання променів атомами визначеного компонента, які отримують розпиленням розчину аналізованої речовини в полум'ї пальника, то метод називають а т о м н о – а б с о р б ц і о н н і м(Атомно-абсорбційна спектроскопія). Метод дозволяє аналізувати речовини у дуже малих кількостях.

Оптичний метод, заснований на відображенні світла твердими частинками, зваженими в розчині, називається н е ф е л о метр і ч е с к і м. Аналіз проводиться за допомогою приладів нефелометрів.

Таким чином, використання законів електрохімії, сорбції, емісії, поглинання або відображення випромінювання та взаємодії частинок з магнітними полями дозволило створити велику кількість інструментальних методів аналізу, що характеризуються високою чутливістю, швидкістю та надійністю визначення, можливістю аналізу багатокомпонентних систем.