В настоящее время существует более 50 методов химического анализа. Все методы химического анализа можно разделить на классические и инструментальные.

Классические методы – это химические методы, т.е. методы, в основе которых лежит химическая реакция, а для измерения аналитического сигнала не требуется электрический прибор. К этим методам относят гравиметрию и титриметрию. Эти методы точные, позволяют определять содержание компонентов с погрешностью порядка 1%. Однако чувствительность во многих случаях явно недостаточна. С помощью этих методов практически сложно определить концентрацию, меньшую 10^-4–10^-5 моль/л.

Название второй группы методов – инструментальные – обусловлено тем, что аналитические сигналы в этом случае измеряются с помощью особых электрических приборов–инструментов. В инструментальных методах можно выделить физико-химические и химические методы.

Анализ с помощью физико-химических методов обычно проводится в две стадии. Первая стадия - это химическая реакция, сопровождающаяся желаемым изменением физико-химических свойств объекта, вторая стадия – непосредственно измерение аналитического сигнала.

В случае физических методов анализа обычно стадия химической реакции отсутствует и поэтому часто физические методы позволяют проводить анализ без разрушения анализируемого объекта. Кроме того, эти методы обладают очень высокой чувствительностью, позволяя проводить определение вещества при его концентрации до 10^-8–10^-10 моль/л. Однако точность инструментальных методов гораздо ниже, чем классических. Они не позволяют проводить анализ с погрешностью менее 2-5%. Зачастую она может быть гораздо выше.

Терминология аналитической химии

Задачи, решаемые аналитической химией весьма разнообразны. Поэтому аналитикам необходим общий язык, чтобы понимать друг друга. Рассмотрим некоторые важнейшие термины.

В аналитической химии предмет исследования называют объектом.

Часть объекта, непосредственно используемая для анализа, называется образцом или пробой, а соединения или элементы, входящие в ее состав, - компонентами.

Определяемые компоненты называют аналитами.

Все остальные компоненты составляют матрицу образца, которая сама по себе не является предметом изучения аналитика, но может повлиять на результаты анализа. Такое влияние называется матричным эффектом. Для получения достоверных данных результаты анализа необходимо сравнить с результатом контрольного опыта.

Анализируют объекты, определяют или обнаруживают компоненты или аналиты. Термины обнаружить, открыть, идентифицировать используют, если требуется провести качественный анализ, определить – если требуется провести количественный анализ.

Навеска – точно взвешенная масса вещества.

Аликвота – точно измеренный объем анализируемого раствора.

Стандартный образец – образец с точно известным содержанием определяемого вещества.

Этапы химического анализа

Химический анализ - сложный многостадийный процесс. Можно вы делить следующие этапы анализа любого объекта:

1) постановка задачи;

2) выбор метода и схемы анализа;

3) отбор пробы;

4) подготовка пробы к анализу;

5) измерение аналитического сигнала;

6) обработка результатов измерений.

Постановка задачи

Постановка задачи заключается в конкретизации задачи анализа. Это может быть качественный или количественный анализ (1) всего анализируемого объекта или определение какой-либо конкретной составной части образца (2), проведение элементного, вещественного, молекулярного, структурно-группового, фазового, изотопного анализа (3), определение компонентов матрицы, микропримесей или следовых количеств компонента (4) и т.д.

После постановки задачи необходимо получить как можно более полную информацию о происхождении, истории, хранении, возможном составе образца. Четко сформулированная задача анализа и имеющая информация позволят выбрать оптимальный метод анализа.

Выбор метода анализа

Прежде чем рассматривать факторы, которые необходимо учитывать при выборе того или иного метода анализа, обсудим понятия метод и методика.

Метод – это определение принципов, положенных в основу анализа безотносительно к конкретному объекту и определяемому веществу; методика – подробное описание всех условий и операций проведения анализа определенного объекта.

Рассмотрим основные факторы, которые нужно принимать во внимание при выборе метода анализа.

Содержание компонента. При выборе метода анализа необходимо учитывать ожидаемое содержание обнаруживаемого или определяемого компонента.

Концентрация определяемого компонента может меняться в широких пределах. Так, содержание меди, никеля, хрома может составлять десятки процентов в их сплавах, десятые и сотые доли процента в минералах, рудах, сплавах других металлов. В то же время содержание этих металлов в растениях, живых организмах, пищевых продуктах необходимо определять уже на уровне 10^-7-10^-5%, а в особо чистых веществах – 10^-8-10^-6 %.

Важно не только оценить процентное содержание компонента в образце, его концентрацию в анализируемом растворе, но и количество вещества, которое может быть взято на анализ. Количество образца, получаемое на анализ, в одних случаях может быть не лимитировано, а в других (определение вкраплений в минералах, анализ крови, биомасс, космических объектов и т. д.) очень мало (миллиграммы или даже доли миллиграмма).

Таким образом, выбор метода анализа обусловливается абсолютным содержанием компонента.

Чувствительность метода или методики определяется тем минимальным количеством вещества, которое можно обнаруживать или определять данным методом, по данной методике. Сопоставляя чувствительность различных методов и оценивая примерное содержание компонента в образце, химик выбирает тот или иной метод анализа.

Например, для определения содержания натрия в силикатных породах используют rpавиметрический метод, позволяющий определять миллиграммовые и более высокие количества натрия; для определения микрограммовых количеств того же элемента в растениях и биологических образцах животного происхождения - метод пламенной фотометрии; для определения натрия в воде особой чистоты (нано- и пикоrpаммовые количества) - метод лазерной спектроскопии.

Избирательность метода. Это возможность обнаруживать или определять аналиты без помех со стороны других присутствующих компонентов. В химической литературе наряду с термином «избирательность» используют термин «селективность». Если методики или используемые реакции позволяют обнаруживать или определять только один компонент, то их называют специфичными.

Рассматривая методы и методики, следует сказать об их универсальности - возможности обнаруживать или определять одновременно многие компоненты из одной пробы.

Высокая избирательность метода и его универсальность не противоречат друг другу: многие универсальные методы анализа отличаются высокой избирательностью определения отдельных компонентов.

Точность анализа. Это собирательная характеристика метода или методики, включающая их правильность и воспроизводимость. Когда говорят о высокой точности, предполагают, что результаты правильные и разброс данных анализа незначителен. Точность часто характеризуют относительной погрешностью определения в процентах.

Требования к точности анализа обычно определяются целью и задачами анализа, природой объекта. Необязательно всегда стремиться к высокой точности. Например, при текущем контроле многих металлургических и химических производств определение компонентов можно проводить с погрешностью в 10-15 %. В том случае, когда важно более точно знать как содержание основного компонента, так и содержание вредных примесей (например, в фармацевтической и пищевой промышленности), погрешность не должна быть выше 0.1-1%. для полупроводников же погрешность определения основных компонентов должна быть ниже 0.1%, а по возможности и 0.01%, так как физические свойства этих соединений в значительной степени зависят от постоянства их стехиометрического состава. Неоправданное требование высокой точности определения обычно удлиняет и удорожает химический анализ. Так, при увеличении точности определения ряда компонентов с 2 до 0.2% время анализа увеличивается более чем в 20 раз.

Экспрессность метода. Требование к экспрессности, т.е. быстроте проведения анализа, часто выдвигается как одно из основных требований при выборе метода или методики анализа. Задачи анализа иногда диктуют необходимость выбора экспрессного метода. Например, при конвертерной плавки стали, продолжающейся 15-30 мин, неоднократно определяют содержание элементов, т.е. каждый анализ должен занимать лишь несколько минут. При проведении хирургических операций иногда возникает потребность также в течение нескольких минут определить в крови или тканях больного концентрацию биологически активного соединения (мочевина, глюкоза, лекарственный препарат и т. п.).

Стоимость анализа. При выборе метода анализа нередко большую роль, особенно при проведении серийных и массовых анализов, играет стоимость химического анализа, куда входит стоимость используемой аппаратуры, реактивов, рабочего времени аналитика и иногда самой анализируемой пробы.

Автоматизация анализа. При проведении массовых однородных анализов следует выбирать метод, допускающий автоматизацию анализа, которая позволяет облегчить труд аналитика, заменив многие ручные, трудоемкие операции автоматическими, снизить погрешности отдельных операций, увеличить скорость проведения анализа, снизить его стоимость, проводить анализ на расстоянии и т. д.

Другие требования к методам анализа. Помимо приведенных выше факторов, которые принимают во внимание при выборе метода и методики, задачи анализа могут предъявлять к методу и другие специфические требования. Например, проведение анализа без разрушения образца (нeдecтpyктивный анализ) необходимо при анализе произведений искусства, археологических объектов, предметов судебной экспертизы и т.п.

При химическом анализе вкраплений, микрофаз металлических слитков, геологических и археологических образцов; при послойном анализе пленок; выяснении состава пятен, штрихов в рукописях, в объектах судебной экспертизы и т. д. требуется проводить локальный анализ.

Одна из важных задач современной аналитической химии - проведение химического анализа на расстоянии (дистанционный анализ). Такая проблема возникает при анализе космических объектов, исследовании дна Мирового океана, при анализе радиоактивных или других вредных для здоровья человека веществ.

Отбор пробы

Процедура отбора пробы зависит от происхождения – вернее, от агрегатного состояния пробы и ее однородности. Если анализируемый объект – жидкое или газообразное тело, то практически любая отобранная проба будет в той или иной мере представительной, т.е. будет достоверно отображать состав всего анализируемого объекта. Если же анализируемый объект неоднороден, а таковы практически все твердые пробы, то только при правильном пробоотборе можно гарантировать достоверные результаты анализа.

Представительной является так называемая «средняя» проба. Она представляет собой совокупность большого числа маленьких фрагментов (кусочков) анализируемого объекта, отобранных из различных его частей. Чем больше число этих фрагментов, тем полнее отражает средняя проба состав анализируемого объекта. Однако в этом случае объем (масса) средней пробы будет слишком велика и провести ее анализ будет практически невозможно. Поэтому на следующей стадии анализа проводят сокращение пробы, обычно методом «квартования». В результате каждого квартования масса пробы сокращается в 2 раза.

Особо рассматривают вопрос о хранении и консервации пробы. Допустимый промежуток времени между отбором и анализом зависит от состава пробы, природы определяемых компонентов и условий хранения пробы. Некоторые определяемые вещества устойчивы длительное время и не требуют особых условий хранения. Чем больше вероятность изменения содержания определяемых компонентов, тем скорее должен быть проведен анализ; если невозможно провести анализ сразу после отбора, то пробу консервируют. Например, для получения достоверных результатов пробы природной воды анализируют обычно в течение 1 -2 ч после отбора. Пробы можно стабилизировать на несколько часов охлаждением до 0°С и на несколько месяцев резким охлаждением до -20°С. Для консервирования определяемых компонентов добавляют разные консерванты, чаще всего это кислоты и вещества, образующие комплексные соединения. Однако в ряде случаев до сих пор не найдено удовлетворительного способа хранения пробы.

Подготовка пробы к анализу

В большинстве случаев, по крайней мере, в классических и физико-химических методах, объекты анализа должны иметь жидкое агрегатное состояние. Поэтому на следующей стадии проводят растворение сокращенной пробы. При выборе растворителя необходимо руководствоваться следующим критерием: проба должна полностью раствориться. Если такой растворитель подобрать не удается, то необходимо взять такой растворитель, который позволяет количественно (полностью) перевести аналит в раствор.

В том случае, если проба полностью растворима в воде, готовят ее водный раствор. Для растворения биологических объектов наиболее часто используют крепкие растворы сильных минеральных кислот – серной, хлорной. Часто применяют окисляющие растворы – азотную кислоту, смесь серной кислоты и перекиси водорода. Для ускорения перевода пробы в раствор его нагревают. Описанный способ растворения называют «мокрым озолением».

В том случае, если мокрое озоление малоэффективно, можно использовать и «сухое озоление», при котором проводят сжигание пробы в тех или иных условиях и последующее растворение продуктов. Однако необходимо иметь в виду, что при сухом озолении следует выбрать такие условия, при которых определяемый компонент не переходит в летучее состояние, что обязательно приведет к серьезной погрешности результатов анализа.