Общие сведения. Классификация методов и приборов для анализа состава и измерения параметров веществ

Методы количественного определения химического состава веществ, основанные на измерении их физических свойств, называются физико-химическими методами анализа. Все эти измерения связаны с использованием соответствующих приборов и поэтому их часто называют инструментальными методами анализа.

В практике медико-биологических исследований наибольшее распространение получили оптические и электрохимические методы анализа. Приборы для анализа химического состава вещества, в отличие от других измерительных приборов, по современной терминологии называются анализаторами состава.

Оптические анализаторы (приборы) различаются в зависимости от соответствия между оптическими свойствами системы и составом анализируемого вещества. Приборы, основанные на светопоглощении веществ, называются абсорбциометрами или абсорбциометрическими анализаторами. В соответствии с этим приборы под названием колориметры, фотоэлектроколориметры, фотометры, спектрофотометры относятся к абсорбциометрам.

Следует иметь в виду, что колориметрами называются также приборы, предназначенные для измерения цвета; колориметры работают только в видимой области спектра.

Величина рассеяния света коллоидными растворами исследуется нефелометрами и турбидиметрами. Метод нефелометрии используется в тех случаях, когда количество вещества определяется по интенсивности светового потока, рассеиваемого взвешенными частицами определяемого вещества. Рассеянный свет измеряют в направлении, перпендикулярном основному потоку света.

При турбидиметрическом измерении определение вещества ведут не по величине рассеяния света, а по поглощению светового потока частицами дисперсного раствора. Оба метода основаны на образовании, в результате реакции, малорастворимых соединений, остающихся в растворе в виде достаточно стабильных взвесей.

Способность веществ по-разному преломлять свет положена в основу работы рефрактометрических анализаторов.

На свойстве некоторых оптически активных веществ вращать плоскость поляризации света основана работа поляриметрических анализаторов.

Оптические анализаторы, предназначенные для работы в широких участках спектра, объединены общим названием - фотометры. Анализаторы, снабженные устройствами для выделения узких спектральных участков, называются спектрофотометрами,
спектрофлуориметрами, спектральными пламенными фотометрами.

Интенсивность свечения вещества, вызванного воздействием на это вещество энергией от различных внешних источников, определяется с помощью люминометрических анализаторов, называемых также флуориметрами, и с помощью пламенных фотометров. При люминометрии (флуориметрии) вторичное свечение вещества вызвано облучением его ультрафиолетовыми лучами, а в методе пламенной фотометрии свечение возбуждается или поглощается при введении анализируемого вещества в мелкодисперсном виде в пламя газовой горелки.

Измерение предельного диффузионного тока и величины потенциала полуволны положено в основу работы полярографов.

Аппаратура для хроматографии служит для разделения веществ сорбционными методами, основанными на различии их сорбционных способностей. Методы и приборы для хроматографии различаются по применяемым средам для разделения, механизмам разделения, форме проведения процесса.

ОТДЕЛ 3. ПРИБОРЫ ДЛЯ АНАЛИЗА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВЕЩЕСТВА И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Вводные указания

1. К приборам для анализа физико-химического состава вещества в данном отделе отнесены газоанализаторы, сигнализаторы предельно допустимых и довзрывоопасных концентраций паров и газов, концентратомеры жидких растворов, плотномеры, солемеры, влагомеры и аналогичные по назначению и комплектности приборы.

2. Для определения РСВ на монтаж погружных датчиков и преобразователей РН-метров, заказываемых и поставляемых отдельно друг от друга, следует применять РСН отдела 2 данного сборника.

3. В РСН учтены затраты на монтаж полного комплекта приборов (датчики, измерительные блоки, вторичные приборы, блоки индикации, вспомогательные устройства).

I категория - комплект, состоящий из одного преобразователя (приемник, измерительный блок) и блока индикации (вторичный прибор, сигнальное устройство). В комплект могут включаться одно или два простейших вспомогательных устройства (стабилизатор питания или расхода, фильтр и т.п.);

II категория - комплект, состоящий из двух блоков-преобразователей (приемник и блок управления, преобразователи первичный и нормирующий и т.д. или из одного преобразователя и комплекта вспомогательных устройств (например, комплект устройств пробоподготовки в составе холодильника, побудителя расхода, фильтра и т.п.), а также блока индикации;

5. В РСН на монтаж комплекта прибора не учтены:

а) затраты на монтаж линий связи и подключений, которые определяются по соответствующим РСН сборников 8, 10 и 12;

б) затраты на монтаж проточных датчиков, устанавливаемых на технологических трубопроводах, определяемые по РСН сборника 12.

Группа 60. Приборы для анализа физико-химического состава вещества

Таблица 11-60

Приборы для анализа физико-химического состава вещества

Измеритель - 1 комплект

ОТДЕЛ 4. АППАРАТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Раздел 1. Аппаратура информационно-логических комплексов специализированных систем управления, вычислительной техники и телемеханики

Вводные указания

1. РСН составлены с учетом конструктивных характеристик, места установки и массы устанавливаемого оборудования.

2. В РСН учтены затраты на:

а) установку оборудования и присоединения его к контуру заземления (группы 91-95);

б) подключение оборудования к сети технологической вентиляции (группы 94-95);

в) разделку и включение в аппаратуру кабелей и проводов (группа 95).

3. Разделка и включение кабелей в аппаратуру по группам 91-94, 96 не учтены и определяются по РСН групп 106, 107 раздела 2 настоящего отдела.

Физико-химические исследования как направление аналитической химии нашли широкое применение в каждой сфере жизнедеятельности человека. Они позволяют изучить свойства интересующего вещества, определяя количественную составляющую компонентов в составе образца.

Исследование веществ

Научное исследование является познанием объекта или явления с целью получения системы понятий и знаний. По принципу действия используемые методы классифицируют на:

• эмпирические;
• организационные;
• интерпретационные;
• методы качественного и количественного анализа.

Эмпирические методы исследования отражают изучаемый объект со стороны внешних проявлений и включают в себя наблюдение, измерение, эксперимент, сравнение. Эмпирическое изучение основано на достоверных фактах и не предполагает создание искусственных ситуаций для анализа.

Организационные методы - сравнительный, лонгитюдный, комплексный. Первый подразумевает под собой сравнение состояний объекта, полученных в разное время и при отличных друг от друга условиях. Лонгитюдный - наблюдение за объектом исследования на протяжении длительного промежутка времени. Комплексный представляет собой совокупность лонгитюдного и сравнительного методов.

Интерпретационные методы - генетический и структурный. Генетический вариант предполагает изучение развития объекта с момента его возникновения. Структурный метод изучает и описывает устройство объекта.

Методами качественного и количественного анализа занимается аналитическая химия. Химические исследования направлены на определение состава объекта исследования.

Методы количественного анализа

При помощи количественного анализа в аналитической химии определяется состав химических соединений. Почти все применяемые методы построены на исследовании зависимости химических и физических свойств вещества от его состава.

Количественный анализ бывает общим, полным и частичным. Общий определяет количество всех известных веществ в изучаемом объекте, независимо от того, присутствуют они в составе или нет. Полный анализ отличается нахождением количественного состава веществ, содержащихся в образце. Частичный вариант определяет содержание только компонентов, представляющих интерес в данном исследовании химических веществ.

В зависимости от способа анализа выделяют три группы методов: химические, физические и физико-химические. Все они основаны на изменении физических или химических свойств вещества.

Химические исследования

Данный метод направлен на определение веществ в различных количественно происходящих химических реакциях. Последние обладают внешними проявлениями (изменение цвета, выделение газа, тепла, осадка). Данный метод широко используется во многих отраслях жизнедеятельности современного общества. Лаборатория химических исследований обязательно присутствует в фармацевтической, нефтехимической, строительной промышленности и во многих других.

Можно выделить три вида химических исследований. Гравиметрия, или весовой анализ, основана на изменении количественных характеристик исследуемого вещества в образце. Этот вариант прост и дает точные результаты, но является трудоемким. При таком типе химических методов исследования требуемое вещество выделяется из общего состава в виде осадка или газа. Затем его приводят в твердую нерастворимую фазу, фильтруют, промывают, сушат. После проведения этих процедур компонент взвешивают.

Титриметрия является объемным анализом. Исследование химических веществ происходит путем измерения объема реагента, вступающего в реакцию с исследуемым веществом. Его концентрация известна заранее. Объем реагента измеряется при достижении точки эквивалентности. При газовом анализе определяют объем выделенного или поглощенного газа.

Кроме того, часто используется исследование химических моделей. То есть создается аналог изучаемого объекта, более удобный в изучении.

Физические исследования

В отличие от химического исследования, основанного на проведении соответствующих реакций, физические методы анализа базируются на одноименных свойствах веществ. Для их проведения требуются специальные приборы. Суть метода заключается в измерении изменений характеристик вещества, вызванных действием излучения. Основными способами проведения физического исследования являются рефрактометрия, поляриметрия, флуориметрия.

Рефрактометрия проводится с помощью рефрактометра. Суть метода сводится к изучению преломления света, проходящего из одной среды в другую. Изменение угла при этом зависит от свойств компонентов среды. Поэтому становится возможной идентификация состава среды и ее структуры.

Поляриметрия является который использует способность некоторых веществ вращать плоскость колебания линейно поляризованного света.

Для флуориметрии используют лазеры и ртутные лампы, которые создают монохроматическое излучение. Некоторые вещества способны флуорисцентировать (поглощать и отдавать поглощенное излучение). На основе интенсивности флуоресценции делается вывод о количественном определении вещества.

Физико-химические исследования

Физико-химические методы исследования регистрируют изменение физических свойств вещества под действием различных химических реакций. Они основаны на прямой зависимости физических характеристик исследуемого объекта от его химического состава. Данные методы требуют применения некоторых измерительных приборов. Как правило, наблюдение ведется за теплопроводностью, электропроводностью, светопоглощением, температурой кипения и плавления.

Физико-химические исследования вещества получили широкое распространение благодаря высокой точности и скорости получения результатов. В современном мире в связи с развитием методы стали сложно применимы. Физико-химические методы используют в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, криминалистике.

Одним из основных отличий физико-химических методов от химических является то, что окончание реакции (точку эквивалентности) находят с помощью измерительных приборов, а не визуально.

Основными методами физико-химического исследования принято считать спектральные, электрохимические, термические и хроматографические методы.

Спектральные методы анализа веществ

В основе спектральных методов анализа лежит взаимодействие объекта с электромагнитным излучением. Исследуется поглощение, отражение, рассеивание последнего. Другое название метода - оптический. Он представляет собой совокупность качественного и количественного исследования. Спектральный анализ позволяет оценить химический состав, структуру компонентов, магнитное поле и другие характеристики вещества.

Суть метода заключается в определении резонансных частот, на которых вещество реагирует на свет. Они строго индивидуальны для каждого компонента. С помощью спектроскопа можно увидеть линии на спектре и определить составляющие вещества. Интенсивность спектральных линий дает представление о количественной характеристике. В основе классификации спектральных методов лежат тип спектра и цели исследования.

Эмиссионный метод позволяет изучить спектры испускания и дает информацию о составе вещества. Для получения данных его подвергают разряду электрической дуги. Разновидностью этого метода является фотометрия пламени. Спектры поглощения исследуются абсорбционным способом. Вышеперечисленные варианты относятся к качественному анализу вещества.

Количественный спектральный анализ сравнивает интенсивность спектральной линии исследуемого объекта и вещества известной концентрации. К таким методам следует отнести атомно-абсорбционный, атомно-флуоресцентный и люминесцентный анализы, турбидиметрию, нефелометрию.

Основы электрохимического анализа веществ

Электрохимический анализ использует электролиз для исследования вещества. Реакции проводятся в водном растворе на электродах. Измерению подлежит одна из имеющихся характеристик. Исследование проводится в электрохимической ячейке. Это сосуд, в который помещены электролиты (вещества с ионной проводимостью), электроды (вещества с электронной проводимостью). Электроды и электролиты взаимодействуют между собой. При этом ток подается извне.

Классификация электрохимических методов

Классифицируют электрохимические методы исходя из явлений, на которых основаны физико-химические исследования. Это методы с наложением постороннего потенциала и без него.

Кондуктометрия является аналитическим методом и измеряет электрическую проводимость G. При кондуктометрическом анализе, как правило, используется переменный ток. Кондуктометрическое титрирование - более распространенный метод исследования. На этом методе основано изготовление портативных кондуктометров, применяемых для химических исследований воды.

При проведении потенциометрии измеряют ЭДС обратимого гальванического элемента. Метод кулонометрии определяет количество электричества, израсходованного во время электролиза. Вольтамперометрия исследует зависимость величины тока от проложенного потенциала.

Термические методы анализа веществ

Термический анализ направлен на определение изменения физических свойств вещества под действием температуры. Данные методы исследования выполняются в течение небольшого промежутка времени и с небольшим количеством изучаемого образца.

Термогравиметрия - один из методов термического анализа, на который приходится регистрация изменения массы объекта под влиянием температуры. Данный способ считается одним из самых точных.

Кроме того, к термическим методам исследования относятся калориметрия, определяющая теплоемкость вещества, энтальпиметрия, основанная на исследовании теплоемкости. Также к их числу следует отнести дилатометрию, которая фиксирует изменение объема образца под действием температуры.

Хроматографические методы анализа веществ

Метод хроматографии является способом разделения веществ. Существует множество основные из них: газовый, распределительный, окислительно-восстановительный, осадочный, ионообменный.

Компоненты в исследуемом образце разделяются между подвижной и неподвижной фазами. В первом случае речь идет о жидкостях или газах. Неподвижная фаза является сорбентом - твердым веществом. Компоненты образца перемещаются в подвижной фазе вдоль неподвижной. По скорости и времени прохождения компонентов через последнюю фазу судят об их физических свойствах.

Применение физико-химических методов исследования

Важнейшим направлением физико-химических методов является санитарно-химическое и судебно-химическое исследование. Они обладают некоторыми различиями. В первом случае для оценки проведенного анализа используются принятые гигиенические нормативы. Они устанавливаются министерствами. Санитарно-химическое исследование проводится в порядке, установленном эпидемиологической службой. В процессе используются модели сред, которые имитируют свойства пищевых продуктов. Также они воспроизводят условия эксплуатации образца.

Судебно-химическое исследование направлено на количественное выявление наркотических, сильнодействующих веществ и ядов в организме человека, пищевых продуктах, медикаментозных препаратах. Экспертиза проводится по судебному постановлению.

Одним из основных методов анализа химического состава вещества является спектральный анализ. Анализ его состава производится, на основании изучения его спектра. Спектральный анализ — используется в различных исследованиях. С его помощью открыт комплекс химических элементов: Не, Ga, Cs. в атмосфере Солнца. А также Rb, Inи XI, определён состав Солнца и большинства других небесных тел.

Отрасли применения

Спектральная экспертиза, распространена в:

1. Металлургии;
2. Геологии;
3. Химии;
4. Минералогии;
5. Астрофизике;
6. Биологии;
7. медицине и др.

Позволяет находить в изучаемых объектах малейшие количества устанавливаемого вещества (до 10 — MS) Спектральный анализ делится на качественный и количественный.

Методы

Способ установления химического состава вещества на основе спектра – это и есть основа спектрального анализа. Линейчатые спектры обладают неповторимой индивидуальностью, так же как и отпечатки пальцев у людей, или же узор снежинок. Неповторимость рисунков на коже пальца – это большое преимущество для розыска преступника. Поэтому благодаря особенности каждого спектра имеется — возможность установить химическое содержание тела, проведя анализ химического состава вещества. Даже если его масса элемента не превышает 10 — 10 г, с помощью спектрального анализа его можно обнаружить в составе сложного вещества. Это достаточно чувствительный метод.

Эмиссионный спектральный анализ

Эмиссионный спектральный анализ — это ряд методов установления химического состава вещества по его эмиссионному спектру. В основу способа установления химического состава вещества – спектральной экспертизы, положены закономерности в спектрах испускания и спектрах поглощения. Данный метод позволяет выявить миллионные доли миллиграмма вещества.

Существуют методы качественной и количественной экспертизы, в соответствии с установлением аналитической химии как предмета, целью которой является формирование способов установления химического состава вещества. Методы идентификации вещества, становятся крайне важными в пределах качественного органического анализа.

По линейчатому спектру паров какого-либо из веществ есть возможность установить, какие химические элементы содержаться в его составе, т.к. любой химический элемент имеет личный специфический спектр излучения. Подобный метод установления химического состава вещества именуется качественным спектральным анализом.

Рентгеноспектральный анализ

Существует еще один метод определения химического вещества, называемый рентгеноспектральным анализом. Рентгеноспектральный анализ основан на активации атомов вещества при облучении его рентгеновскими лучами, процесс называется вторичным или флуоресцентным. А также возможна активация при облучении электронами больших энергий, в этом случае процесс именуют прямым возбуждением. В результате перемещения электронов в более глубоких внутренних электронных слоях появляются линии рентгеновского излучения.

Формула Вульфа — Брэггов позволяет устанавливать длины волн, в составе рентгеновского излучения, при применении кристалла популярной структуры с известным расстоянием d. Это и есть основание метода определения. Изучаемое вещество бомбят стремительными электронами. Помещают его, к примеру, на анод разборной рентгеновской трубки, впоследствии чего оно источает характерные рентгеновские лучи, которые падают на кристалл известной структуры. Измеряют углы и рассчитывают по формуле соответствующие длины волн, после фотографирования возникающей при этом дифракционной картине.

Приемы

В настоящее время все методы химического анализа основаны на двух приемах. Либо на: физическом приеме, либо на химическом приеме сравнения устанавливаемой концентрации с ее единицей измерения:

Физический

Физический приём основан на способе соотнесения с эталоном единицы величины количества компонента путем измерения его физического свойства, который зависит от его содержания в пробе вещества. Пробно определяют функциональную зависимость «Насыщенность свойства – содержание компонента в пробе» способом градуировки средства измерения данного физического свойства по устанавливаемому компоненту. Из градуировочного графика получают количественные отношения, построенного в координатах: «насыщенность физического свойства — концентрация устанавливаемого компонента».

Химический

Химический приём используется в способе соотнесения с эталоном единицы величины количества компонента. Тут используются законы сохранения количества или массы компонента при химических взаимодействиях. На химических свойствах химических соединений, основаны химические взаимодействия. В пробе вещества осуществляют химическую реакцию, отвечающую поставленным требованиям, для определения искомого компонента, и производится замер объёма или массы, принимающих участие в конкретной химической реакции компонентов. Получают количественные отношения, далее записывается количества эквивалентов компонента для данной химической реакции или закон сохранения массы.

Приборы

Приборами для анализа физико-химического состава вещества являются:

1. Газоанализаторы;
2. Сигнализаторы предельно допустимых и до взрывоопасных концентраций паров и газов;
3. Концентратомеры жидких растворов;
4. Плотномеры;
5. Солемеры;
6. Влагомеры и др. схожие по назначению и комплектности приборы.

Со временем все более увеличивается круг анализируемых объектов и повышается скорость и правильность анализа. Одним из главнейших приборных методов установления атомного химического состава вещества становится спектральный анализ.

С каждым годом все больше появляются комплексы приборов, для количественного спектрального анализа. А также выпускают наиболее усовершенствованные виды аппаратуры и способы регистрации спектра. Организуются спектральные лаборатории первоначально в машиностроительной, металлургической, а затем и других областях промышленности. Со временем вырастает скорость и верность анализа. К тому же расширяется область анализируемых объектов. Одним из основных приборных методов установления атомного химического состава вещества становится спектральный анализ.