Фізико-хімічні або інструментальні методи аналізу
Фізико-хімічні або інструментальні методи аналізу засновані на вимірюванні за допомогою приладів (Інструментів) фізичних параметрів аналізованої системи, які виникають або змінюються в ході виконання аналітичної реакції.
Бурхливий розвиток фізико-хімічних методів аналізу було викликано тим, що класичні методи хімічного аналізу (гравіметрія, тітріметрія) вже не могли задовольняти численні запити хімічної, фармацевтичної, металургійної, напівпровідникової, атомної та інших галузей промисловості, які вимагали підвищення чутливості методів до 10-8 - 10-9%, їх селективності і експресності, що дозволило б управляти технологічними процесами за даними хімічного аналізу, а також виконувати їх в автоматичному режимі і дистанційно.
Ряд сучасних фізико-хімічних методів аналізу дозволяють одночасно в одній і тій же пробі виконувати як якісний, так і кількісний аналіз компонентів. Точність аналізу сучасних фізико-хімічних методів порівнянна з точністю класичних методів, а в деяких, наприклад у кулонометрии, вона істотно вище.
До недоліків деяких фізико-хімічних методів слід віднести дорожнечу використовуваних приладів, необхідність застосування еталонів. Тому класичні методи аналізу як і раніше не втратили свого значення і застосовуються там, де немає обмежень в швидкості виконання аналізу і потрібна висока його точність при високому змісті аналізованого компонента.
Класифікація фізико-хімічних методів аналізу
В основу класифікації фізико-хімічних методів аналізу покладена природа вимірюваного фізичного параметра аналізованої системи, величина якого є функцією кількості речовини. У відповідності з цим все фізико-хімічні методи поділяються на три великі групи:
- електрохімічні;
- оптичні і спектральні;
- хроматографічні.
<p> Електрохімічні методи аналізу засновані на вимірюванні електричних параметрів: сили струму, напруги, рівноважних електродних потенціалів, електричної провідності, кількістю-ства електрики, величини яких пропорційні вмісту речовини в аналізованому об'єкті.
Оптичні й спектральні методи аналізу засновані на вимірюванні параметрів, що характеризують ефекти взаємодії електромагнітного випромінювання з речовинами: інтенсивності випромінювання збуджених атомів, поглинання монохроматичного випромінювання, показника заломлення світла, кута обертання площини поляризованого променя світла та ін
Всі ці параметри є функцією концентрації речовини в аналізованому об'єкті.
Хроматографічні методи - це методи розділення однорідних багатокомпонентних сумішей на окремі компоненти сорбційними методами в динамічних умовах. У цих умовах компоненти розподіляються між двома несмешивающимися фазами: рухомий і нерухомою. Розподіл компонентів засноване на відмінності їх коефіцієнтів розподілу між рухомою і нерухомою фазами, що при-водить до різних швидкостям перенесення цих компонентів з нерухомою в рухому фазу. Після поділу кількісний вміст кожного з компонентів може бути визначено різними методами аналізу: класичними або інструментальними.
Молекулярно-абсорбційний спектральний аналіз
Молекулярно-абсорбційний спектральний аналіз включає в себе спектрофотометрический і фотоколориметричним види аналізу.
Спектрофотометричний аналіз заснований на визначенні спектра поглинання або вимірюванні світлопоглинання при строго певній довжині хвилі, яка відповідає максимуму кривої поглинання досліджуваної речовини.
фотоколориметричним аналіз базується на порівнянні інтенсивності забарвлень досліджуваного пофарбованого і стандартного пофарбованого розчинів певної концентрації.
Молекули речовини володіють певною внутрішньою енергією Е, складовими частинами якої є:
- енергія руху електронів Еел знаходяться в електростат-зації полі атомних ядер;
- енергія коливання ядер атомів один щодо одного Е кол
- енергія обертання молекули Е вр
і математично виражається як сума всіх зазначених вище енергій:
При цьому, якщо молекула речовини поглинає випромінювання, то її первісна енергія Е 0 підвищується на величину енергії поглиненого фотона, тобто:
З наведеного рівності випливає, що чим менше довжина хвилі О», тим більше частота коливань і, отже, більше Е, тобто енергія, повідомлена молекулі речовини при взаємодії з електромагнітним випромінюванням. Тому характер взаємодії променевої енергії з речовиною в залежності від довжини хвилі світла О» буде різний.
Сукупність усіх частот (довжин хвиль) електромагнітного випромінювання називають електромагнітним спектром. Інтервал довжин хвиль розбивають на області: ультрафіолетова (УФ) приблизно 10-380 нм, видима 380-750 нм, інфрачервона (ІЧ) 750-100000 нм.
Енергії, яку повідомляють молекулі речовини випромінювання УФ-та видимій частині спектру, достатньо, щоб викликати зміну електронного стану молекули.
Енергія ІЧ-променів менше, тому її виявляється достатньо тільки для того, щоб викликати зміна енергії коливальних і обертальних переходів в молекулі речовини. Таким чином, в різних частинах спектра можна отримати різну інформацію про стані, властивості і будову речовин.
Закони поглинання випромінювання
В основі спектрофотометричних методів аналізу лежать два основних закони. Перший з них - Закон Бугера - Ламберта, другий закон - закон Бера. Об'єднаний закон Бугера - Ламберта - Бера має наступне формулювання:
Поглинання монохроматичного світла забарвленим розчином прямо пропорційно концентрації поглинаючого світло речовини і товщині шару розчину, через який він проходить.
Закон Бугера - Ламберта - Бера є основним законом світлопоглинання і лежить в основі більшості фотометричних методів аналізу. Математично він виражається рівнянням:
або
Величину lg I / I 0 називають оптuческой щільністю поглинаючої речовини і позначають буквами D або А. Тоді закон можна записати так:
Відношення інтенсивності потоку монохроматичного випромінювання, що пройшло через досліджуваний об'єкт, до інтенсивності початкового потоку випромінювання називається прозорістю, або пропусканням, розчину і позначається літерою Т: Т = I / I 0
Це співвідношення може бути виражене у відсотках. Величина Т, що характеризує пропускання шару товщиною 1 см, називається коефіцієнтом пропускання. Оптична щільність D і пропускання Т пов'язані між собою співвідношенням
D і Т є основними величинами, що характеризують поглинання розчину даної речовини з певної його концентрацією при певній довжині хвилі і товщині поглинаю-щего шару.
Залежність D (С) має прямолінійний характер, а Т (С) або Т (l) - Експонентний. Це суворо дотримується тільки для монохроматичних потоків випромінювань.
Величина коефіцієнта погашення До залежить від способу вираження концентрації речовини в розчині і товщини поглинаючого шару. Якщо концентрація виражена в молях на літр, а товщина шару - в сантиметрах, то він називається молярним коефіцієнтом погашення, позначається символом Оµ і дорівнює оптичної щільності розчину з концентрацією 1 моль/л, поміщеного в кювету з товщиною шару 1 см.
Величина молярного коефіцієнта світлопоглинання залежить:
- від природи розчиненої речовини;
- довжини хвилі монохроматичного світла;
- температури;
- природи розчинника.
Причини недотримання закону Бyгера - Ламберта - Бера.
1. Закон виведений і справедливий лише для монохроматичного світла, тому недостатня монохроматізаціі може викликати відхилення закону і тим більшою мірою, чим менше ...
