Problemi analitici dell'analisi multielemento in medicina. Domanda: In che modo criminologi, archeologi, medici e storici dell'arte utilizzano i metodi di analisi chimica nel loro lavoro? Determinazione della concentrazione nella fotoelettrocolorimetria

In che modo criminologi, archeologi, medici e storici dell'arte utilizzano i metodi di analisi chimica nel loro lavoro?

Risposte:

Gli scienziati forensi determinano la composizione delle sostanze, le cause della morte e l'identità di una persona. Gli archeologi determinano l'età e la composizione dei manufatti durante gli scavi. I medici determinano la composizione chimica del sangue o delle urine e quindi diagnosticano le malattie umane. Gli storici dell'arte determinano l'età degli oggetti d'antiquariato e ne stabiliscono l'autenticità. Utilizzando l'analisi chimica, gli scienziati forensi possono utilizzare le macchie per determinare la composizione qualitativa del liquido che ha lasciato la macchia. Ad esempio, questo sangue liquido o vino, ecc. Dalle tracce e dai resti del terreno, possono determinare dove una persona ha camminato o un'auto ha guidato, quale tipo di terreno e, conoscendo la composizione dei terreni circostanti, possono determinare in quali luoghi è passata una persona o è passata un'auto. Con l'aiuto dell'analisi chimica, gli archeologi possono determinare come vivevano, da cosa costruivano, cosa indossavano le persone in una determinata epoca; dai resti di cibo lasciati in frammenti e vasi, possono determinare cosa mangiavano le persone. Utilizzando l'analisi chimica qualitativa e quantitativa in medicina, confrontando sangue, urina e altri liquidi del corpo umano con la norma, è possibile effettuare una diagnosi ed eseguire un ciclo di trattamento sotto controllo, monitorando la dinamica dei cambiamenti nei test, osservando il successo o fallimento di questo ciclo di trattamento e la necessità di adattare il corso del trattamento. Gli antichi maestri preparavano i propri colori e vernici. Sapendo quali composizioni ha preparato un particolare maestro, gli storici dell'arte, utilizzando l'analisi chimica, possono affermare con grande sicurezza la paternità di un'opera d'arte. I restauratori utilizzano anche l’analisi chimica e scoprono i segreti degli antichi maestri”. In che modo criminologi, archeologi, medici e storici dell’arte utilizzano i metodi di analisi chimica nel loro lavoro? Preparare un rapporto su questo argomento utilizzando letteratura aggiuntiva. Gli scienziati forensi determinano la composizione delle sostanze, le cause della morte e l'identità di una persona. Gli archeologi determinano l'età e la composizione dei manufatti durante gli scavi. I medici determinano la composizione chimica del sangue o delle urine e quindi diagnosticano le malattie umane. Gli storici dell'arte determinano l'età degli oggetti d'antiquariato e ne stabiliscono l'autenticità. Utilizzando l'analisi chimica, gli scienziati forensi possono utilizzare le macchie per determinare la composizione qualitativa del liquido che ha lasciato la macchia. Ad esempio, questo sangue liquido o vino, ecc. Dalle tracce e dai resti del terreno, possono determinare dove una persona ha camminato o un'auto ha guidato, quale tipo di terreno e, conoscendo la composizione dei terreni circostanti, possono determinare in quali luoghi è passata una persona o è passata un'auto. Con l'aiuto dell'analisi chimica, gli archeologi possono determinare come vivevano, da cosa costruivano, cosa indossavano le persone in una determinata epoca; dai resti di cibo lasciati in frammenti e vasi, possono determinare cosa mangiavano le persone. Utilizzando l'analisi chimica qualitativa e quantitativa in medicina, confrontando sangue, urina e altri liquidi del corpo umano con la norma, è possibile effettuare una diagnosi ed eseguire un ciclo di trattamento sotto controllo, monitorando la dinamica dei cambiamenti nei test, osservando il successo o fallimento di questo ciclo di trattamento e la necessità di adattare il corso del trattamento. Gli antichi maestri preparavano i propri colori e vernici. Sapendo quali composizioni ha preparato un particolare maestro, gli storici dell'arte, utilizzando l'analisi chimica, possono affermare con grande sicurezza la paternità di un'opera d'arte. I restauratori utilizzano anche l’analisi chimica e scoprono i segreti degli antichi maestri.’

ANALISI CHIMICA, una serie di metodi di ricerca utilizzati per determinare la composizione di una sostanza chimica. composti o loro miscele. X.a. si divide in analisi qualitativa, che permette di scoprire quali elementi o gruppi di elementi sono compresi nella composizione di un dato organismo, e analisi quantitativa, che fornisce i rapporti ponderali in cui si trovano tali elementi. Per raggiungere i suoi scopi, l'analisi qualitativa utilizza diversi reagenti, cioè sostanze che, con determinati elementi o gruppi di elementi, producono composti insolubili o volatili (formazione di precipitato o gas) o colorazioni caratteristiche. Secondo gli oggetti della ricerca e i metodi utilizzati X. a. si divide in: 1. Analisi delle sostanze inorganiche. 2. Analisi delle sostanze organiche. 3. Metodi speciali di X. a. utilizzati nell'analisi tecnica, miele. analisi, analisi farmaceutiche, medicina legale analisi, analisi sanitario-industriale, analisi sanitario-alimentare, ecc. - L'analisi qualitativa delle sostanze inorganiche, che si occupa di sali, composti e basi, cioè di composti che in soluzioni acquose si dissociano in ioni, si risolve nella scoperta di ioni caricati positivamente - cationi (metalli) e ioni caricati negativamente - anioni (metalloidi, residui). Lo studio sistematico dei cationi si basa sulla loro suddivisione in gruppi in base alle diverse solubilità dei loro sali di cloruro, zolfo e anidride carbonica. Il precipitato contiene: il filtrato si verifica contemporaneamente al gruppo IV, contiene il gruppo pu:V: Ca, Sr, BaMg, Na, K * L'acido cloridrico viene aggiunto alla soluzione in esame fino alla formazione di un precipitato. Il precipitato filtrato contiene il gruppo I Precipitato con idrogeno solforato in un ambiente acido Ag, Hg - , Pb Il precipitato contiene il gruppo II: Hg", Pb, Bi, Cu, Cd, As, Sb, Sn, Au, Pt, Mo, Se, Te Il filtrato è privato del fosforo, concentrato in presenza di azoto, diluito con acqua e in presenza di ammoniaca, precipitare con solfuro di ammonio.Il precipitato contiene III gruppo: Fe, Ni, Co. Il filtrato, liberato dallo zolfo, viene precipitato con carbonato d'ammonio in presenza di NH, scavo e separazione dei gruppi cationici. Il sedimento contiene III gruppo: Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Al, Cr, U, Ti Separazione e scoperta dei metalli del gruppo I. Il precipitato isolato con acido cloridrico viene fatto bollire in acqua e filtrato a caldo. Il residuo viene lavato con acqua calda e trattato con NH 4 OH. Il residuo contiene Hg*. cosa indicherà l'annerimento del precipitato? La soluzione contiene Ag, che precipita quando acidificato con azoto sotto forma di precipitato bianco. La soluzione contiene Pb. Con una soluzione K 2 Cr0 4 dà un precipitato giallo PbSiu 4 Separazione e scoperta dei metalli del gruppo II. Il precipitato rilasciato con idrogeno solforato viene trattato con polisolfuro di ammonio giallo. Soluzione residua As, Sb, Sn Pb, Hg", Bi, Cd, Cu viene precipitata con HC1, il precipitato viene trattato con azoto, riscaldato con HC1 concentrato Soluzione residua Residuo As Soluzione Sb ,Sn Hg Pb, Bi, Cu, Cd Processo | condensato MgClj.- bianco loki-nero Precipitato Soluzione cristallina spot su pla- Bi, Cu, Cd precipitato solido, insolubile Aggiungere HC1 a uno, l'ammoniaca indica Sb. 2 In un'altra soluzione Bi precipitato Cu, parti di Cd della soluzione vengono isolate Sn con l'aiuto di metallo colorato in blu indica la presenza di Cu Scaglie grigie sono disciolte Aggiungere HgCl 2 per scoprire conc. metalli del gruppo IV.Il precipitato rilasciato dal carbonato di ammonio è disciolto in una piccola quantità di acido acetico. Alla soluzione risultante, diluita con acqua e portata all'ebollizione, aggiungere (NH 4) 2 Cr0 4 con un leggero eccesso di precipitato di BaCrCj. La parte viene sciolta in HC1 e testata per la fiamma: soluzione di colore giallo-verde. Testare parte della soluzione con solfato di calcio; un precipitato indica la presenza di Sr. Rimuovere Sr facendo bollire con IbS0 4 diluito in eccesso. Il precipitato, lavato con (NH 4), S04, viene bruciato con carbone, le ceneri vengono sciolte in HC1 ed esaminate con colorazione rosso carminio a fiamma. Il Ca viene scoperto nel filtrato mediante precipitazione di (NH 4)^Ca0 4 in presenza di ammoniaca Separazione e scoperta dei metalli del gruppo V. Il filtrato dopo separazione dei gruppi I, II, III e IV viene evaporato a secchezza e leggermente calcinato. Sciogliere in HCl diluito. Filtrare e dividere in due parti.Alla prima aggiungere NH 4 C1, NH4OH HNa^HPO, precipitato cristallino bianco - Mg. Dalla seconda parte eliminare Mg facendo bollire con Ba(OH) 2, filtrare. Precipita Ba-(NH 4)iC03 Una volta riscaldato, filtrare. Il filtrato viene evaporato a secchezza. Il residuo viene esaminato alla fiamma: giallo-Na. Il colore viola visibile attraverso la soluzione indaco è K. Sciogliere in una piccola quantità di acqua. Ad una parte della soluzione viene aggiunto l'acido piroantimonico potassico K 2 H 2 Sbj07; un precipitato cristallino indica Na. All'altra parte aggiungere acido tartarico C 4 H in O (! - indica precipitato cristallino A. Separazione e scoperta dei metalli del gruppo III. Il sedimento lavato, isolato con solfuro di ammonio e ammoniaca cloridrica fredda 2p, viene trattato con il resto di Co, Ni. Parte del residuo viene riscaldata con borace. La perla blu indica Così. L'altra parte viene sciolta in acqua regia, evaporata a secchezza, sciolta in acqua e, aggiungendo h NaOH, si aggiunge acqua bromo - un precipitato nero indica la presenza di Ni. La soluzione di Fe, Al, Cr, Mn, Zn è concentrata aggiungendo HN0 3, quindi si aggiunge NaOH in eccesso, si fa bollire e si filtra.Il precipitato di Fe, Cr, Mn si scioglie in HC1, si fa bollire. Aggiungendo NII 4 C1 si precipita un'eventuale piccola quantità di ammoniaca Precipitato Fe, Cr. Apertura Fe: sciogliere in B C1 e aggiungere K 4 Fe(CN) 6 -TeM-colore blu. Apertura Cr: fuso con soda, sciolta la lega in acqua, acidificata con acido acetico, aggiunto AgN0 3 - precipitato rosso Soluzione Mn. All'ebollizione con (NH 4)„S il precipitato color carne è Mn; una piccola parte del sedimento viene sciolta in conc. HN0 3 , si aggiunge Pb0 2 sulla punta di un coltello, si fa bollire e si diluisce un po' con acqua: nel caso del Mn il liquido sedimentato si colora di rosso.Per aprire gli anioni (residui) si ricorre a specifiche reazioni. Spesso, ad esempio, la scoperta di certi metalli esclude già la possibilità di trovare certe cose. in presenza di Ba nella soluzione non possono essere presenti acidi solforici, in presenza di Ag sono esclusi gli alogenuri, ecc. analisi del peso(cm.), analisi volumetrica(mass-media analisi del gas(cm.). L'analisi delle sostanze organiche si divide in: 1) analisi elementare, cioè il ritrovamento e la determinazione quantitativa degli elementi compresi nel composto oggetto di studio. Per il ritrovamento qualitativo di carbonio e idrogeno, la sostanza viene bruciata e scoperta nei prodotti della combustione C0 2 e H 2 0. Per il ritrovamento di azoto e zolfo, la sostanza viene distrutta mediante calcinazione con sodio metallico. L'azoto forma cianuro di sodio, che si apre per conversione in blu di Prussia; lo zolfo dà solfuro di sodio, che dà un precipitato nero con sali di piombo. Gli alogenuri possono essere aperti mediante riduzione in acidi idroalici (amalgama di sodio + acqua, sodio + Al, il filtrato di Zn viene acidificato con HC1 e viene aggiunto NH 4 OH in eccesso. Precipitato A1. La soluzione di Zn viene acidificata con acido acetico e precipitato bianco H 2 S Viene fatto passare l'alcool ZnS 5), dando precipitati con argento insolubile in azoto. Altri elementi vengono scoperti dopo che la sostanza è stata ossidata utilizzando metodi convenzionali di analisi inorganica. La determinazione quantitativa di C e H viene effettuata secondo il principio di Liebig bruciando una quantità pesata di una sostanza con ossido di rame, assorbendo la CO 2 e l'H 2 0 risultanti e pesando i dispositivi di assorbimento. Per la determinazione dell'azoto si utilizza o il metodo Dumas, basato sulla misurazione dell'azoto gassoso risultante dalla riduzione degli ossidi di azoto formati dalla combustione di una sostanza in una corrente di CO 2 in presenza di ossido di rame con rame metallico, oppure il metodo Ejeldahl".(vedi), basato sulla conversione dell'azoto in ammoniaca e sulla titolazione di quest'ultima. 2) Scoperta e determinazione quantitativa di singoli gruppi in un composto organico, come. idrossile, carbossile, gruppo aldeidico, gruppo amminico, ecc. 3) Scoperta e determinazione quantitativa di singoli composti sulla base di reazioni caratteristiche o studio dei loro derivati. In presenza di piccole quantità della sostanza in esame si ricorre alla microanalisi, basata sullo studio della forma dei cristalli al microscopio e sull'esecuzione di reazioni in gocce applicate su carta da filtro (analisi a goccia). Per la microanalisi quantitativa vengono utilizzate apparecchiature speciali che consentono di lavorare con piccole quantità di una sostanza: microbilance, microburette, micropipette, ecc. Illuminato.: Bettger V., Fondamenti di analisi qualitativa, Leningrado, 1932; Menshutkin N., Chimica analitica, M.-D., 1931; SmirnovI. e Stepanov A., Chimica analitica, analisi qualitativa, M., 1931; Tana N. 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L’inquinamento da metalli pesanti (HM) ha effetti negativi molto diversi sulla vita degli organismi viventi e sulla biosfera terrestre in generale. Insieme a pesticidi, diossine, prodotti petroliferi, fenoli, fosfati e nitrati, i metalli pesanti costituiscono quella “miscela infernale” che in futuro potrebbe mettere in discussione l’esistenza stessa della civiltà. La crescente portata dell’inquinamento ambientale si traduce in un aumento della frequenza di mutazioni genetiche, cancro, malattie cardiovascolari, professionali, intossicazioni, dermatosi e disturbi immunitari clinicamente significativi. L'avvento dell'era della nanotecnologia è accompagnato dall'ingresso nella biosfera di elementi rari e delle terre rare, che in precedenza la natura vivente praticamente non incontrava, e quindi non dispone di meccanismi biochimici per contrastare la possibile influenza ostile di questi elementi sui sistemi viventi.

In queste condizioni diventa assolutamente necessario l'uso della chimica analitica, che si occupa dei mezzi per determinare la composizione chimica dei materiali naturali e artificiali. Le tecniche e i metodi di questa scienza vengono utilizzati per identificare le sostanze nella composizione di un oggetto e per la loro precisa determinazione quantitativa. In medicina, la chimica analitica costituisce la base dei test clinici di laboratorio che aiutano i medici a diagnosticare le malattie e a raggiungere il successo nel trattarle. Le analisi chimiche vengono utilizzate anche per valutare il grado di inquinamento ambientale e per determinare il valore nutrizionale degli alimenti. Poiché non tutti hanno familiarità con gli approcci all'analisi della chimica analitica, è opportuno spendere qualche parola sulla terminologia. Termine selettivo significa una reazione con diverse sostanze, il termine specifica significa una reazione con una sostanza. Termini analizzare E determinare disuguale. Il campione (oggetto) viene analizzato per il contenuto di uno o più componenti ( analiti) e viene chiamato il processo di misurazione del contenuto dell'analita definizione.

Metodi selezione non sono stati sviluppati studi sul contenuto di alcuni elementi in medicina; l'elenco degli elementi per l'analisi è determinato in base alle manifestazioni cliniche. In Appendice sono riportate le tabelle delle più importanti malattie, sindromi, segni di carenza ed eccesso essenziale(=vitali) microelementi secondo A.P. Avtsynu e altri (1991). Molto spesso, l'analisi multielemento viene utilizzata in medicina legale per determinare le cause dell'avvelenamento acuto e cronico. Tale analisi è importante anche nella diagnosi e nel trattamento delle malattie professionali causate dall'esposizione cronica dell'organismo a metalli pesanti (sia di origine industriale che ambientale).

Per la medicina preventiva in generale, e in particolare per i medici sanitari, i dati sulla composizione qualitativa e quantitativa dell'inquinamento ambientale e delle impurità nocive nelle materie prime e nei prodotti alimentari sono molto importanti, poiché consentono lo sviluppo di misure legislative e organizzative adeguate. L'unico modo affidabile per ottenerli è analizzare la composizione dell'aria, dell'acqua, del suolo e di altri oggetti ambientali, materie prime alimentari e prodotti alimentari. I dati di analisi non possono essere sostituiti dallo studio della documentazione tecnica, poiché durante la produzione le violazioni della tecnologia e gli incidenti sono comuni e l'interazione degli inquinanti nell'ambiente reale può essere imprevedibile, ad esempio antagonista o, al contrario, sinergica.

Bioinorganici medici. G.K. Barashkov

Metodi di analisi fisico-chimici o strumentali

I metodi di analisi fisico-chimici o strumentali si basano sulla misurazione, mediante strumenti (strumenti), dei parametri fisici del sistema analizzato, che insorgono o cambiano durante l'esecuzione della reazione analitica.

Il rapido sviluppo dei metodi di analisi fisico-chimici è stato causato dal fatto che i metodi classici di analisi chimica (gravimetria, titrimetria) non potevano più soddisfare le numerose esigenze dell'industria chimica, farmaceutica, metallurgica, dei semiconduttori, nucleare e altre, che richiedevano di aumentare la sensibilità dei metodi al 10-8 - 10-9%, la loro selettività e velocità, che consentirebbero di controllare i processi tecnologici sulla base dei dati di analisi chimica, nonché di eseguirli automaticamente e in remoto.

Numerosi metodi di analisi fisico-chimici moderni consentono di eseguire contemporaneamente analisi sia qualitative che quantitative dei componenti nello stesso campione. L'accuratezza dell'analisi dei moderni metodi fisico-chimici è paragonabile all'accuratezza dei metodi classici e in alcuni, ad esempio nella coulometria, è significativamente più elevata.

Gli svantaggi di alcuni metodi fisico-chimici includono l'alto costo degli strumenti utilizzati e la necessità di utilizzare standard. Pertanto, i metodi di analisi classici non hanno ancora perso la loro importanza e vengono utilizzati laddove non vi sono restrizioni sulla velocità di analisi ed è richiesta un'elevata precisione con un elevato contenuto del componente analizzato.

Classificazione dei metodi di analisi fisico-chimici

La classificazione dei metodi di analisi fisico-chimici si basa sulla natura del parametro fisico misurato del sistema analizzato, il cui valore è funzione della quantità di sostanza. In conformità con ciò, tutti i metodi fisico-chimici sono divisi in tre grandi gruppi:

Elettrochimico;

Ottico e spettrale;

Cromatografico.

I metodi di analisi elettrochimica si basano sulla misurazione di parametri elettrici: corrente, tensione, potenziali degli elettrodi di equilibrio, conduttività elettrica, quantità di elettricità, i cui valori sono proporzionali al contenuto della sostanza nell'oggetto analizzato.

I metodi di analisi ottici e spettrali si basano sulla misurazione di parametri che caratterizzano gli effetti dell'interazione della radiazione elettromagnetica con le sostanze: l'intensità della radiazione degli atomi eccitati, l'assorbimento della radiazione monocromatica, l'indice di rifrazione della luce, l'angolo di rotazione del piano di un raggio di luce polarizzato, ecc.

Tutti questi parametri sono funzione della concentrazione della sostanza nell'oggetto analizzato.

I metodi cromatografici sono metodi per separare miscele multicomponenti omogenee in singoli componenti mediante metodi di assorbimento in condizioni dinamiche. In queste condizioni, i componenti sono distribuiti tra due fasi immiscibili: mobile e stazionaria. La distribuzione dei componenti si basa sulla differenza nei loro coefficienti di distribuzione tra le fasi mobile e stazionaria, che porta a diverse velocità di trasferimento di questi componenti dalla fase stazionaria a quella mobile. Dopo la separazione, il contenuto quantitativo di ciascun componente può essere determinato mediante vari metodi di analisi: classici o strumentali.

Analisi spettrale di assorbimento molecolare

L'analisi spettrale di assorbimento molecolare comprende tipi di analisi spettrofotometrica e fotocolorimetrica.

L'analisi spettrofotometrica si basa sulla determinazione dello spettro di assorbimento o sulla misurazione dell'assorbimento della luce ad una lunghezza d'onda rigorosamente definita, che corrisponde al massimo della curva di assorbimento della sostanza in esame.

L'analisi fotocolorimetrica si basa sul confronto dell'intensità del colore della soluzione colorata studiata e di una soluzione colorata standard di una certa concentrazione.

Le molecole di una sostanza hanno una certa energia interna E, i cui componenti sono:

L'energia del movimento degli elettroni Anguilla situata nel campo elettrostatico dei nuclei atomici;

L'energia di vibrazione dei nuclei atomici l'uno rispetto all'altro E conta;

Energia di rotazione di una molecola E vr

ed è espresso matematicamente come la somma di tutte le energie sopra indicate:

Inoltre, se una molecola di una sostanza assorbe la radiazione, la sua energia iniziale E 0 aumenta della quantità di energia del fotone assorbito, cioè:

Dall'uguaglianza di cui sopra ne consegue che quanto più corta è la lunghezza d'onda λ, tanto maggiore è la frequenza di vibrazione e, quindi, maggiore E, cioè l'energia impartita alla molecola di una sostanza quando interagisce con la radiazione elettromagnetica. Pertanto, la natura dell'interazione dell'energia della radiazione con la materia sarà diversa a seconda della lunghezza d'onda della luce λ.

L'insieme di tutte le frequenze (lunghezze d'onda) della radiazione elettromagnetica è chiamato spettro elettromagnetico. L'intervallo di lunghezze d'onda è diviso in regioni: ultravioletto (UV) circa 10-380 nm, visibile 380-750 nm, infrarosso (IR) 750-100000 nm.

L'energia impartita alla molecola di una sostanza dalle radiazioni provenienti dalle parti UV e visibili dello spettro è sufficiente a provocare un cambiamento nello stato elettronico della molecola.

L'energia dei raggi IR è inferiore, quindi è sufficiente solo a provocare un cambiamento nell'energia delle transizioni vibrazionali e rotazionali nella molecola di una sostanza. Pertanto, in diverse parti dello spettro si possono ottenere informazioni diverse sullo stato, le proprietà e la struttura delle sostanze.

Leggi dell'assorbimento della radiazione

I metodi di analisi spettrofotometrici si basano su due leggi fondamentali. La prima di queste è la legge di Bouguer-Lambert, la seconda legge è la legge di Beer. La legge combinata Bouguer-Lambert-Beer ha la seguente formulazione:

L'assorbimento della luce monocromatica da parte di una soluzione colorata è direttamente proporzionale alla concentrazione della sostanza che assorbe la luce e allo spessore dello strato di soluzione attraverso il quale passa.

La legge di Bouguer-Lambert-Beer è la legge fondamentale dell'assorbimento della luce ed è alla base della maggior parte dei metodi di analisi fotometrici. Matematicamente è espresso dall’equazione:

O

Misurare lgIO / IO 0 è chiamata densità ottica della sostanza assorbente ed è indicata dalle lettere D o A. Quindi la legge può essere scritta come segue:

Il rapporto tra l'intensità del flusso di radiazione monocromatica che passa attraverso l'oggetto in prova e l'intensità del flusso di radiazione iniziale è chiamato trasparenza, o trasmittanza, della soluzione ed è indicato con la lettera T: T = IO / IO 0

Questo rapporto può essere espresso in percentuale. Il valore T, che caratterizza la trasmissione di uno strato spesso 1 cm, è chiamato trasmittanza. La densità ottica D e la trasmittanza T sono legate tra loro dalla relazione

D e T sono le principali quantità che caratterizzano l'assorbimento di una soluzione di una determinata sostanza con una certa concentrazione ad una certa lunghezza d'onda e spessore dello strato assorbente.

La dipendenza D(C) è lineare e T(C) o T(l) è esponenziale. Ciò è rigorosamente osservato solo per i flussi di radiazione monocromatici.

Il valore del coefficiente di estinzione K dipende dal metodo di espressione della concentrazione della sostanza nella soluzione e dallo spessore dello strato assorbente. Se la concentrazione è espressa in moli per litro e lo spessore dello strato è in centimetri, allora si chiama coefficiente di estinzione molare, indicato con il simbolo ε, ed è uguale alla densità ottica di una soluzione con una concentrazione di 1 mol/L posto in una cuvetta con uno spessore di strato di 1 cm.

Il valore del coefficiente molare di assorbimento della luce dipende da:

Dalla natura del soluto;

Lunghezze d'onda della luce monocromatica;

Temperature;

Natura del solvente.

Motivi del mancato rispetto della legge Bouguer-Lambert-Beer.

1. La legge è stata derivata ed è valida solo per la luce monocromatica, pertanto una monocromatazione insufficiente può causare una deviazione dalla legge e, in misura maggiore, quanto meno monocromatica è la luce.

2. Nelle soluzioni possono verificarsi vari processi che modificano la concentrazione della sostanza assorbente o la sua natura: idrolisi, ionizzazione, idratazione, associazione, polimerizzazione, complessazione, ecc.

3. L'assorbimento della luce delle soluzioni dipende in modo significativo dal pH della soluzione. Quando il pH della soluzione cambia, può cambiare quanto segue:

Il grado di ionizzazione di un elettrolita debole;

La forma di esistenza degli ioni, che porta a un cambiamento nell'assorbimento della luce;

Composizione dei composti complessi colorati risultanti.

Pertanto, la legge è valida per soluzioni altamente diluite e la sua portata è limitata.

Colorimetria visiva

L'intensità del colore delle soluzioni può essere misurata con vari metodi. Tra questi ci sono metodi colorimetrici soggettivi (visivi) e oggettivi, cioè fotocolorimetrici.

I metodi visivi sono quelli in cui la valutazione dell'intensità del colore della soluzione in esame viene effettuata ad occhio nudo. Nei metodi oggettivi di determinazione colorimetrica, vengono utilizzate fotocellule invece dell'osservazione diretta per misurare l'intensità del colore della soluzione di prova. La determinazione in questo caso viene effettuata in dispositivi speciali: fotocolorimetri, motivo per cui il metodo è chiamato fotocolorimetrico.

Colori visibili:

I metodi visivi includono:

- metodo delle serie standard;

- metodo di titolazione colorimetrica, o duplicazione;

- metodo di equalizzazione.

Metodo delle serie standard. Quando si esegue l'analisi utilizzando il metodo delle serie standard, l'intensità del colore della soluzione colorata analizzata viene confrontata con i colori di una serie di soluzioni standard appositamente preparate (con lo stesso spessore dello strato).

Metodo di titolazione colorimetrica (duplicazione). si basa sul confronto del colore della soluzione analizzata con il colore di un'altra soluzione, il controllo. La soluzione di controllo contiene tutti i componenti della soluzione in esame, ad eccezione della sostanza da determinare, e tutti i reagenti utilizzati nella preparazione del campione. Ad essa viene aggiunta una soluzione standard della sostanza da determinare da una buretta. Quando viene aggiunta una quantità di questa soluzione tale che le intensità di colore delle soluzioni di controllo e di quelle analizzate sono uguali, si considera che la soluzione analizzata contiene la stessa quantità di analita introdotta nella soluzione di controllo.

Metodo di regolazione differisce dai metodi colorimetrici visivi sopra descritti, in cui la somiglianza dei colori delle soluzioni standard e di prova si ottiene modificando la loro concentrazione. Nel metodo di equalizzazione, la somiglianza dei colori si ottiene modificando lo spessore degli strati di soluzioni colorate. A tale scopo, quando si determina la concentrazione delle sostanze, vengono utilizzati colorimetri a drenaggio e ad immersione.

Vantaggi dei metodi visivi di analisi colorimetrica:

La tecnica di determinazione è semplice, non sono necessarie attrezzature complesse e costose;

L'occhio dell'osservatore può valutare non solo l'intensità, ma anche le sfumature di colore delle soluzioni.

Screpolatura:

È necessario preparare una soluzione standard o una serie di soluzioni standard;

È impossibile confrontare l'intensità del colore di una soluzione in presenza di altre sostanze colorate;

Quando si confronta a lungo l'intensità del colore degli occhi di una persona, la persona si stanca e l'errore di determinazione aumenta;

L'occhio umano non è sensibile ai piccoli cambiamenti nella densità ottica come i dispositivi fotovoltaici, rendendo impossibile rilevare differenze di concentrazione fino a circa il 5% relativo.

Metodi fotoelettrocolorimetrici

La fotoelettrocolorimetria viene utilizzata per misurare l'assorbimento della luce o la trasmittanza delle soluzioni colorate. Gli strumenti utilizzati a questo scopo sono chiamati colorimetri fotoelettrici (PEC).

I metodi fotoelettrici per misurare l'intensità del colore prevedono l'uso di fotocellule. A differenza degli strumenti in cui i confronti dei colori vengono effettuati visivamente, nei fotoelettrocolorimetri il ricevitore dell'energia luminosa è un dispositivo: una fotocellula. Questo dispositivo converte l'energia luminosa in energia elettrica. Le fotocellule consentono determinazioni colorimetriche non solo nel visibile, ma anche nelle regioni UV e IR dello spettro. La misurazione dei flussi luminosi mediante fotometri fotoelettrici è più accurata e non dipende dalle caratteristiche dell'occhio dell'osservatore. L'utilizzo di fotocellule consente di automatizzare la determinazione della concentrazione di sostanze nel controllo chimico dei processi tecnologici. Di conseguenza, la colorimetria fotoelettrica è molto più utilizzata nella pratica di laboratorio di fabbrica rispetto alla colorimetria visiva.

Nella fig. La Figura 1 mostra la consueta disposizione dei nodi negli strumenti per misurare la trasmissione o l'assorbimento di soluzioni.

Fig. 1 Componenti principali dei dispositivi per la misurazione dell'assorbimento delle radiazioni: 1 - sorgente di radiazioni; 2 - monocromatore; 3 - cuvette per soluzioni; 4 - convertitore; 5 - indicatore di segnale.

I fotocolorimetri, a seconda del numero di fotocellule utilizzate nelle misurazioni, sono divisi in due gruppi: a raggio singolo (braccio singolo) - dispositivi con una fotocellula e a doppio raggio (braccio doppio) - con due fotocellule.

La precisione di misurazione ottenuta con i FEC a raggio singolo è bassa. Nelle fabbriche e nei laboratori scientifici sono più diffusi gli impianti fotovoltaici dotati di due fotocellule. Il design di questi dispositivi si basa sul principio di equalizzazione dell'intensità di due raggi luminosi utilizzando un diaframma a fessura variabile, ovvero sul principio della compensazione ottica di due flussi luminosi modificando l'apertura della pupilla del diaframma.

Lo schema schematico del dispositivo è mostrato in Fig. 2. La luce della lampada a incandescenza 1 è divisa in due fasci paralleli utilizzando gli specchi 2. Questi fasci luminosi attraversano i filtri di luce 3, le cuvette con le soluzioni 4 e cadono sulle fotocellule 6 e 6", che sono collegate al galvanometro 8 secondo un circuito differenziale. Il diaframma a fessura 5 varia l'intensità del flusso luminoso incidente sulla fotocellula 6. La zeppa neutra fotometrica 7 serve ad attenuare il flusso luminoso incidente su una fotocellula da 6".

Fig.2. Schema di un fotoelettrocolorimetro a due raggi

Determinazione della concentrazione in fotoelettrocolorimetria

Per determinare la concentrazione di analiti nella fotoelettrocolorimetria, viene utilizzato quanto segue:

Un metodo per confrontare le densità ottiche delle soluzioni colorate standard e di prova;

Metodo di determinazione basato sul valore medio del coefficiente molare di assorbimento della luce;

Metodo della curva di calibrazione;

Metodo additivo.

Metodo per confrontare le densità ottiche delle soluzioni colorate standard e di prova

Per la determinazione, preparare una soluzione standard dell'analita a concentrazione nota, che si avvicini alla concentrazione della soluzione di prova. Determina la densità ottica di questa soluzione a una determinata lunghezza d'onda D piano Quindi viene determinata la densità ottica della soluzione di prova Dx alla stessa lunghezza d'onda e allo stesso spessore dello strato. Confrontando le densità ottiche delle soluzioni di prova e di riferimento, si trova la concentrazione sconosciuta dell'analita.

Il metodo di confronto è applicabile per singole analisi e richiede il rispetto obbligatorio della legge fondamentale sull'assorbimento della luce.

Metodo del grafico di calibrazione. Per determinare la concentrazione di una sostanza utilizzando questo metodo, preparare una serie di 5-8 soluzioni standard di concentrazioni variabili. Quando si sceglie l'intervallo di concentrazione delle soluzioni standard, vengono utilizzati i seguenti principi:

* deve coprire l'area di possibili misurazioni della concentrazione della soluzione in studio;

* la densità ottica della soluzione di prova dovrebbe corrispondere approssimativamente alla metà della curva di calibrazione;

* è auspicabile che in questo intervallo di concentrazione si osservi la legge fondamentale dell'assorbimento della luce, ovvero il grafico di dipendenza è lineare;

* il valore della densità ottica deve essere compreso nel range 0,14... 1,3.

Misurare la densità ottica delle soluzioni standard e tracciare la dipendenza D(C) . Avendo determinato Dx della soluzione in studio, secondo la curva di calibrazione che trovano Cx (Fig. 3).

Questo metodo consente di determinare la concentrazione di una sostanza anche nei casi in cui non viene rispettata la legge fondamentale dell'assorbimento della luce. In questo caso, viene preparato un gran numero di soluzioni standard, che differiscono in concentrazione non più del 10%.

Riso. 3. Dipendenza della densità ottica della soluzione dalla concentrazione (curva di calibrazione)

Metodo additivo- si tratta di un tipo di metodo di confronto basato sul confronto della densità ottica della soluzione in esame e della stessa soluzione addizionata di una quantità nota della sostanza da determinare.

Viene utilizzato per eliminare l'influenza interferente di impurità estranee e per determinare piccole quantità di analita in presenza di grandi quantità di sostanze estranee. Il metodo richiede il rispetto obbligatorio della legge fondamentale sull'assorbimento della luce.

Spettrofotometria

Si tratta di un metodo di analisi fotometrica in cui il contenuto di una sostanza è determinato dal suo assorbimento di luce monocromatica nelle regioni visibile, UV e IR dello spettro. Nella spettrofotometria, a differenza della fotometria, la monocromatazione non è fornita da filtri luminosi, ma da monocromatori, che consentono di modificare continuamente la lunghezza d'onda. Come monocromatori vengono utilizzati prismi o reticoli di diffrazione, che forniscono una monocromaticità della luce significativamente più elevata rispetto ai filtri luminosi, quindi la precisione delle determinazioni spettrofotometriche è maggiore.

I metodi spettrofotometrici, rispetto ai metodi fotocolorimetrici, consentono di risolvere una gamma più ampia di problemi:

* effettuare la determinazione quantitativa delle sostanze in un'ampia gamma di lunghezze d'onda (185-1100 nm);

* effettuare analisi quantitative di sistemi multicomponente (determinazione simultanea di più sostanze);

* determinare la composizione e le costanti di stabilità dei composti complessi che assorbono la luce;

*determinare le caratteristiche fotometriche dei composti fotoassorbenti.

A differenza dei fotometri, il monocromatore negli spettrofotometri è un prisma o reticolo di diffrazione, che consente di modificare continuamente la lunghezza d'onda. Esistono strumenti per misurazioni nelle regioni visibili, UV e IR dello spettro. Il diagramma schematico dello spettrofotometro è praticamente indipendente dalla regione spettrale.

Gli spettrofotometri, come i fotometri, sono disponibili nei tipi a raggio singolo e doppio. Negli apparecchi a doppio raggio, il flusso luminoso è in qualche modo biforcato o all'interno del monocromatore o all'uscita da esso: un flusso passa quindi attraverso la soluzione in esame, l'altro attraverso il solvente.

Gli strumenti a raggio singolo sono particolarmente utili per determinazioni quantitative basate su misurazioni di assorbanza a una singola lunghezza d'onda. In questo caso, la semplicità del dispositivo e la facilità d'uso rappresentano un vantaggio significativo. La maggiore velocità e facilità di misurazione quando si lavora con strumenti a doppio raggio sono utili nell'analisi qualitativa, quando la densità ottica deve essere misurata su un ampio intervallo di lunghezze d'onda per ottenere uno spettro. Inoltre, un dispositivo a due raggi può essere facilmente adattato per la registrazione automatica di densità ottiche in continuo cambiamento: tutti i moderni spettrofotometri di registrazione utilizzano a questo scopo un sistema a due raggi.

Sia gli strumenti a raggio singolo che quelli a doppio raggio sono adatti per misurazioni visibili e UV. Gli spettrofotometri IR prodotti in commercio sono sempre basati su un design a doppio raggio, poiché vengono solitamente utilizzati per scansionare e registrare un'ampia regione dello spettro.

L'analisi quantitativa dei sistemi monocomponente viene eseguita utilizzando gli stessi metodi della fotoelettrocolorimetria:

Confrontando le densità ottiche delle soluzioni standard e di prova;

Metodo di determinazione basato sul valore medio del coefficiente molare di assorbimento della luce;

Utilizzando il metodo del grafico di calibrazione,

e non ha caratteristiche distintive.

Spettrofotometria nell'analisi qualitativa

Analisi qualitativa nella parte ultravioletta dello spettro. Gli spettri di assorbimento ultravioletto hanno solitamente due o tre, a volte cinque o più bande di assorbimento. Per identificare in modo univoco la sostanza oggetto di studio, viene registrato il suo spettro di assorbimento in vari solventi e i dati ottenuti vengono confrontati con i corrispondenti spettri di sostanze simili di composizione nota. Se gli spettri di assorbimento della sostanza in esame in diversi solventi coincidono con lo spettro della sostanza nota, allora è possibile con un alto grado di probabilità trarre una conclusione sull'identità della composizione chimica di questi composti. Per identificare una sostanza sconosciuta tramite il suo spettro di assorbimento, è necessario disporre di un numero sufficiente di spettri di assorbimento di sostanze organiche e inorganiche. Esistono atlanti che mostrano gli spettri di assorbimento di molte sostanze, soprattutto organiche. Gli spettri ultravioletti degli idrocarburi aromatici sono stati particolarmente ben studiati.

Quando si identificano composti sconosciuti, è necessario prestare attenzione anche all'intensità dell'assorbimento. Molti composti organici hanno bande di assorbimento i cui massimi si trovano alla stessa lunghezza d'onda λ, ma le loro intensità sono diverse. Ad esempio, nello spettro del fenolo esiste una banda di assorbimento a λ = 255 nm, per la quale il coefficiente di assorbimento molare al massimo di assorbimento è εmax= 1450. Alla stessa lunghezza d'onda l'acetone ha una banda per la quale εmax = 17.

Analisi qualitativa nella parte visibile dello spettro. L'identificazione di una sostanza colorata, come un colorante, può essere effettuata anche confrontando il suo spettro di assorbimento visibile con quello di un colorante simile. Gli spettri di assorbimento della maggior parte dei coloranti sono descritti in atlanti e manuali speciali. Dallo spettro di assorbimento di un colorante si può trarre una conclusione sulla purezza del colorante, perché nello spettro delle impurità ci sono alcune bande di assorbimento che sono assenti nello spettro del colorante. Dallo spettro di assorbimento di una miscela di coloranti si può anche trarre una conclusione sulla composizione della miscela, soprattutto se gli spettri dei componenti della miscela contengono bande di assorbimento situate in diverse regioni dello spettro.

Analisi qualitativa nella regione infrarossa dello spettro

L'assorbimento della radiazione IR è associato ad un aumento delle energie vibrazionali e rotazionali del legame covalente se porta ad una variazione del momento dipolare della molecola. Ciò significa che quasi tutte le molecole con legami covalenti sono, in un modo o nell'altro, capaci di assorbimento nella regione IR.

Gli spettri infrarossi dei composti covalenti poliatomici sono solitamente molto complessi: sono costituiti da molte bande di assorbimento strette e sono molto diversi dagli spettri UV e visibili convenzionali. Le differenze derivano dalla natura dell'interazione tra le molecole assorbenti e il loro ambiente. Questa interazione (in fasi condensate) influenza le transizioni elettroniche nel cromoforo, quindi le linee di assorbimento si allargano e tendono a fondersi in ampie bande di assorbimento. Nello spettro IR, al contrario, la frequenza e il coefficiente di assorbimento corrispondenti a un singolo legame solitamente cambiano poco con i cambiamenti nell'ambiente (compresi i cambiamenti nelle restanti parti della molecola). Anche le linee si espandono, ma non abbastanza da fondersi in una striscia.

In genere, quando si costruiscono spettri IR, la trasmittanza viene tracciata sull'asse y come percentuale anziché come densità ottica. Con questo metodo di costruzione, le bande di assorbimento appaiono come depressioni nella curva e non come massimi negli spettri UV.

La formazione degli spettri infrarossi è associata all'energia vibrazionale delle molecole. Le vibrazioni possono essere dirette lungo il legame di valenza tra gli atomi della molecola, nel qual caso vengono chiamate valenza. Esistono vibrazioni di stretching simmetriche, in cui gli atomi vibrano nelle stesse direzioni, e vibrazioni di stretching asimmetriche, in cui gli atomi vibrano in direzioni opposte. Se le vibrazioni atomiche si verificano con un cambiamento nell'angolo tra i legami, vengono chiamate deformazione. Questa divisione è molto arbitraria, perché durante le vibrazioni di allungamento gli angoli si deformano in un modo o nell'altro e viceversa. L'energia delle vibrazioni flettenti è solitamente inferiore all'energia delle vibrazioni stiranti e le bande di assorbimento causate dalle vibrazioni flettenti si trovano nella regione delle onde più lunghe.

Le vibrazioni di tutti gli atomi di una molecola provocano bande di assorbimento individuali per le molecole di una determinata sostanza. Ma tra queste vibrazioni si possono distinguere le vibrazioni di gruppi di atomi, che sono debolmente accoppiate con le vibrazioni degli atomi del resto della molecola. Le bande di assorbimento causate da tali vibrazioni sono chiamate bande caratteristiche. Si osservano, di regola, negli spettri di tutte le molecole che contengono questi gruppi di atomi. Un esempio di bande caratteristiche sono le bande a 2960 e 2870 cm -1. La prima banda è dovuta alle vibrazioni di stiramento asimmetrico del legame C-H del gruppo metilico CH 3, e la seconda è dovuta alle vibrazioni di stiramento simmetrico del legame C-H dello stesso gruppo. Tali bande con una leggera deviazione (±10 cm -1) si osservano negli spettri di tutti gli idrocarburi saturi e, in generale, nello spettro di tutte le molecole che contengono gruppi CH 3.

Altri gruppi funzionali possono influenzare la posizione della banda caratteristica e la differenza di frequenza può arrivare fino a ±100 cm -1, ma tali casi sono pochi e possono essere presi in considerazione sulla base dei dati della letteratura.

Chimica analitica e analisi chimiche

Analisi chimica

Analisi chimica chiamato ottenere informazioni sulla composizione e la struttura delle sostanze, indipendentemente da come vengono ottenute esattamente tali informazioni .

Alcuni metodi (metodi) di analisi si basano sull'esecuzione di reazioni chimiche con reagenti appositamente aggiunti, in altri le reazioni chimiche svolgono un ruolo ausiliario e altre non sono affatto correlate al corso delle reazioni. Ma il risultato dell'analisi in ogni caso sono informazioni su chimico la composizione di una sostanza, cioè la natura e il contenuto quantitativo dei suoi atomi e molecole costituenti. Tale circostanza viene sottolineata utilizzando l'aggettivo “chimico” nella locuzione “analisi chimica”.

Il valore dell'analisi. Utilizzando metodi di analisi chimica, sono stati scoperti gli elementi chimici, le proprietà degli elementi e dei loro composti sono state studiate in dettaglio ed è stata determinata la composizione di molte sostanze naturali. Numerose analisi hanno permesso di stabilire le leggi fondamentali della chimica (legge di costanza della composizione, legge di conservazione della massa delle sostanze, legge degli equivalenti, ecc.) E hanno confermato la teoria atomico-molecolare. L'analisi è diventata un mezzo di ricerca scientifica non solo in chimica, ma anche in geologia, biologia, medicina e altre scienze. Una parte significativa della conoscenza della natura che l'umanità ha accumulato dai tempi di Boyle è stata ottenuta proprio attraverso l'analisi chimica.

Le capacità degli analisti aumentarono notevolmente nella seconda metà del XIX secolo e soprattutto nel XX secolo, quando molti fisico metodi di analisi. Hanno permesso di risolvere problemi che non potevano essere risolti con i metodi classici. Un esempio lampante è la conoscenza della composizione del Sole e delle stelle, ottenuta alla fine del XIX secolo con il metodo dell'analisi spettrale. Un esempio altrettanto sorprendente a cavallo tra il XX e il XXI secolo è stata la decifrazione della struttura di uno dei geni umani. In questo caso, le informazioni iniziali sono state ottenute mediante spettrometria di massa.

La chimica analitica come scienza

La scienza della “chimica analitica” si è formata nel XVIII – XIX secolo. Esistono molte definizioni (“definizioni”) di questa scienza . La più concisa ed evidente è la seguente: “ La chimica analitica è la scienza che determina la composizione chimica delle sostanze ” .

Si può dare una definizione più precisa e dettagliata:

La chimica analitica è una scienza che sviluppa una metodologia generale, metodi e mezzi per studiare la composizione chimica (nonché la struttura) delle sostanze e sviluppa metodi per analizzare vari oggetti.

Oggetto e direzioni della ricerca. L'oggetto della ricerca degli analisti praticanti sono sostanze chimiche specifiche

La ricerca nel campo della chimica analitica in Russia viene svolta principalmente negli istituti di ricerca e nelle università. Gli obiettivi di questi studi:

• sviluppo di fondamenti teorici di vari metodi di analisi;
• creazione di nuovi metodi e tecniche, sviluppo di strumenti analitici e reagenti;
• risolvere problemi analitici specifici di grande significato economico o sociale. Esempi di tali problemi: la creazione di metodi di controllo analitico per l'energia nucleare e per la produzione di dispositivi a semiconduttore (questi problemi furono risolti con successo negli anni 50-70 del XX secolo); lo sviluppo di metodi affidabili per valutare l'inquinamento ambientale provocato dall'uomo (questo problema è attualmente in fase di risoluzione).

1.2.Tipologie di analisi

Le tipologie di analisi sono molto diverse. Possono essere classificati in diversi modi: dalla natura delle informazioni ricevute, dagli oggetti di analisi e dagli oggetti di determinazione, dall'accuratezza e dalla durata richieste di una singola analisi, nonché da altre caratteristiche.

Classificazione in base alla natura delle informazioni ricevute. Distinguere qualitativo E analisi quantitativa. Nel primo caso scoprire in cosa consiste una determinata sostanza, quali sono esattamente i suoi componenti ( Componenti) sono inclusi nella sua composizione. Nel secondo caso viene determinato il contenuto quantitativo dei componenti, esprimendolo sotto forma di frazione di massa, concentrazione, rapporto molare dei componenti, ecc.

Classificazione in base agli oggetti di analisi. Ogni area dell'attività umana ha tradizione oggetti di analisi. Pertanto, nell'industria si studiano le materie prime, i prodotti finiti, i prodotti intermedi e gli scarti di produzione. Oggetti agrochimico analisi sono terreni, fertilizzanti, mangimi, cereali e altri prodotti agricoli. In medicina svolgono clinico analisi, i suoi oggetti - sangue, urina, succo gastrico, tessuti vari, aria espirata e molto altro. Stanno conducendo gli specialisti delle forze dell'ordine legale analisi ( analisi degli inchiostri da stampa per individuare falsificazioni di documenti; analisi dei farmaci; analisi di frammenti rinvenuti sulla scena di un incidente stradale, ecc.). Tenendo conto della natura degli oggetti studiati, si distinguono anche altri tipi di analisi, ad esempio l'analisi dei farmaci ( farmaceutico analisi), acque naturali e reflue ( idrochimico analisi), analisi di prodotti petroliferi, materiali da costruzione, ecc.

Classificazione in base agli oggetti di definizione. Termini simili non devono essere confusi - analizzare E determinare. Questi non sono sinonimi! Quindi, se siamo interessati a sapere se c'è ferro nel sangue di una persona e qual è la sua percentuale, allora lo è il sangue oggetto di analisi, e ferro - oggetto di definizione. Naturalmente, anche il ferro può diventare oggetto di analisi, se determiniamo le impurità di altri elementi in un pezzo di ferro. Oggetti di definizione nominare quei componenti del materiale in studio, il cui contenuto quantitativo deve essere stabilito. Gli oggetti della definizione non sono meno diversi degli oggetti dell'analisi. Tenendo conto della natura della componente da determinare, si distinguono diverse tipologie di analisi (Tabella 1). Come si può vedere da questa tabella, gli oggetti di rilevamento o definizione stessi (sono anche chiamati analiti) appartengono a diversi livelli di strutturazione della materia (isotopi, atomi, ioni, molecole, gruppi di molecole di struttura correlata, fasi).

Tabella 1.

Classificazione dei tipi di analisi in base agli oggetti di determinazione o rilevamento

Tipo di analisi	Oggetto di determinazione o rilevamento (analita)	Esempio	Area di applicazione
Isotopico	Atomi con determinati valori di carica nucleare e numero di massa (isotopi)	137 C, 90 sr, 235 U	Energia nucleare, controllo dell’inquinamento ambientale, medicina, archeologia, ecc.
Elementare	Atomi con determinati valori di carica nucleare (elementi)	Cs, Sig.ra, U Cr, Fe, Hg	Ovunque
Vero	Atomi (ioni) di un elemento in un dato stato di ossidazione o in composti di una data composizione (forma dell'elemento)	Сr(III), Fe2+, Hg come parte di composti complessi	Tecnologia chimica, controllo dell'inquinamento ambientale, geologia, metallurgia, ecc.
Molecolare	Molecole con una data composizione e struttura	Benzene, glucosio, etanolo	Medicina, controllo ambientale, agrochimica, chimica. tecnologia, medicina legale.
Gruppo strutturale O funzionale	Una somma di molecole con determinate caratteristiche strutturali e proprietà simili	Idrocarburi saturi, monosaccaridi, alcoli	Tecnologia chimica, industria alimentare, medicina.
Fase	Una fase o un elemento separato all'interno di una determinata fase	Grafite nell'acciaio, quarzo nel granito	Metallurgia, geologia, tecnologia dei materiali da costruzione.

Durante analisi elementare identificare o quantificare questo o quell'elemento, indipendentemente dal suo stato di ossidazione o dalla sua inclusione nella composizione di determinate molecole. In rari casi viene determinata la composizione elementare completa del materiale in esame. Di solito è sufficiente determinare alcuni elementi che influenzano in modo significativo le proprietà dell'oggetto studiato.

Vero Recentemente l'analisi ha cominciato a essere distinta come un tipo indipendente, in precedenza era considerata parte dell'elementare. Lo scopo dell'analisi materiale è determinare separatamente il contenuto di diverse forme dello stesso elemento. Ad esempio, il contenuto di cromo (III) e cromo (VI) nelle acque reflue. Nei prodotti petroliferi, lo “zolfo solfato”, lo “zolfo libero” e lo “zolfo solforato” sono definiti separatamente. Studiando la composizione delle acque naturali, scoprono quale parte del mercurio esiste sotto forma di composti complessi e organoelementi forti e quale parte sotto forma di ioni liberi. Questi problemi sono molto più difficili dei problemi di analisi elementare.

Analisi molecolareè particolarmente importante quando si studiano sostanze organiche e materiali di origine biogenica, ad esempio la determinazione del benzene nella benzina o dell'acetone nell'aria espirata. In questi casi è necessario tenere conto non solo della composizione, ma anche della struttura delle molecole. Dopotutto, il materiale in esame può contenere isomeri e omologhi del componente da determinare. Pertanto, il contenuto di glucosio solitamente deve essere determinato in presenza dei suoi isomeri e di altri composti correlati, come il saccarosio.

Classificazione in base all'accuratezza, alla durata e al costo delle analisi. Viene chiamata un'opzione di analisi semplificata, veloce ed economica analisi espressa. È spesso usato qui metodi di prova . Ad esempio, chiunque (non un analista) può valutare il contenuto di nitrati nelle verdure (zucchero nelle urine, metalli pesanti nell'acqua potabile, ecc.) utilizzando uno speciale strumento di test: la carta indicatrice. Il contenuto del componente richiesto viene determinato utilizzando la scala cromatica fornita con la carta. Il risultato sarà visibile ad occhio nudo e comprensibile anche ad un non specialista. I metodi di prova non richiedono la consegna del campione al laboratorio o alcuna lavorazione del materiale di prova; Questi metodi non utilizzano apparecchiature costose e non eseguono calcoli. È importante solo che il risultato del metodo di prova non dipenda dalla presenza di altri componenti nel materiale da testare, e per questo è necessario che i reagenti con cui viene impregnata la carta durante la sua fabbricazione siano specifici. È molto difficile garantire la specificità dei metodi di prova e questo tipo di analisi si è diffuso solo negli ultimi anni del XX secolo. Naturalmente, i metodi di prova non possono fornire un'elevata precisione dell'analisi, ma non è sempre richiesta.

L'esatto contrario dell'analisi espressa - arbitrato analisi H. Il requisito principale è garantire la massima precisione possibile dei risultati. Raramente vengono effettuate analisi arbitrali (ad esempio, per risolvere un conflitto tra produttore e consumatore di alcuni prodotti). Per eseguire tali analisi, vengono coinvolti gli esecutori più qualificati, vengono utilizzati i metodi più affidabili e ripetutamente collaudati. Il tempo di esecuzione e il costo di tale analisi non sono di fondamentale importanza.

Un posto intermedio tra l'analisi espressa e quella arbitrale in termini di accuratezza, durata, costo e altri indicatori è occupato da test di routine. La maggior parte delle analisi eseguite in fabbrica e in altri laboratori di controllo e analisi sono di questo tipo.

1.3.Metodi di analisi

Classificazione dei metodi. Il concetto di “metodo di analisi” viene utilizzato quando si vuole identificare l'essenza di una particolare analisi, il suo principio base. Un metodo di analisi è un metodo abbastanza universale e basato sulla teoria per condurre l'analisi, fondamentalmente diverso dagli altri metodi nel suo scopo e principio di base, indipendentemente da quale componente viene determinato e cosa esattamente viene analizzato. Lo stesso metodo può essere utilizzato per analizzare oggetti diversi e per determinare diversi analiti .

Esistono tre gruppi principali di metodi (Fig. 1). Alcuni di essi sono finalizzati principalmente alla separazione dei componenti della miscela in studio (un'analisi successiva senza questa operazione risulta imprecisa o addirittura impossibile). Durante la separazione avviene normalmente la concentrazione dei componenti da determinare (vedi capitolo 8). Un esempio potrebbero essere i metodi di estrazione o i metodi di scambio ionico. Nell'analisi qualitativa vengono utilizzati altri metodi che servono per l'identificazione (identificazione) affidabile dei componenti di nostro interesse. I terzi, più numerosi, sono destinati alla determinazione quantitativa dei componenti. Vengono chiamati i gruppi corrispondenti metodi di separazione e concentrazione, metodi di identificazione e metodi di determinazione. I metodi dei primi due gruppi, di regola, , svolgono un ruolo di supporto, ma sono di grande importanza per la pratica metodi di determinazione.

Fisico-chimico

Fig. 1. Classificazione dei metodi di analisi

Oltre ai tre gruppi principali, ci sono ibrido metodi. Nella figura 1. non vengono mostrati. Nei metodi ibridi, la separazione, l'identificazione e la determinazione dei componenti sono combinate organicamente in un unico dispositivo (o in un unico complesso di strumenti). Il più importante di questi metodi è cromatografico analisi. In un dispositivo speciale (cromatografo), i componenti del campione in esame (miscela) vengono separati mentre si muovono a velocità diverse attraverso una colonna riempita di polvere solida (assorbente). Nel momento in cui un componente lascia la colonna, la sua natura viene giudicata e quindi vengono identificati tutti i componenti del campione. I componenti che escono dalla colonna uno dopo l'altro entrano in un'altra parte del dispositivo, dove un dispositivo speciale - un rilevatore - misura e registra i segnali di tutti i componenti. Spesso i segnali vengono assegnati automaticamente a determinate sostanze e viene calcolato il contenuto di ciascun componente del campione. È chiaro che cromatografico l'analisi non può essere considerata solo un metodo di separazione dei componenti, o solo un metodo di determinazione quantitativa; è proprio un metodo ibrido.

1.4. Metodi di analisi e requisiti per essi

I concetti non vanno confusi metodo E tecniche.

Una metodologia è una descrizione chiara e dettagliata di come dovrebbe essere eseguita un'analisi, applicando un metodo per risolvere uno specifico problema analitico.

In genere, un metodo viene sviluppato da specialisti, sottoposto a test preliminari e certificazione metrologica, è ufficialmente registrato e approvato. Il nome del metodo indica il metodo utilizzato, l'oggetto della determinazione e l'oggetto dell'analisi

Raccogliere ottimale(migliore) tecnica, in ogni caso devono essere presi in considerazione una serie di requisiti pratici.

1. T precisione. Questo è il requisito principale. Ciò significa che l'errore relativo o assoluto dell'analisi non deve superare un certo valore limite

2. Sensibilità. Questa parola nel discorso colloquiale è sostituita da termini più severi “limite di rilevazione” e “limite inferiore delle concentrazioni rilevabili”" I metodi altamente sensibili sono quelli con cui possiamo rilevare e identificare un componente anche quando il suo contenuto nel materiale in esame è basso. Minore è il contenuto atteso, più sensibile è la tecnica richiesta. .

3. Selettività (selettività).È importante che il risultato dell'analisi non sia influenzato da sostanze estranee incluse nel campione.

4. Espressività . Stiamo parlando della durata dell'analisi di un campione, dal campionamento alla conclusione. Più velocemente si ottengono i risultati, meglio è.

5.C costo. Questa caratteristica della tecnica non richiede commenti. Solo i test relativamente economici possono essere utilizzati su scala di massa. Il costo del controllo analitico nell'industria solitamente non supera l'1% del costo del prodotto. Analisi uniche nella loro complessità e raramente eseguite sono molto costose.

Esistono altri requisiti per la metodologia: sicurezza dell'analisi, capacità di eseguire analisi senza la partecipazione umana diretta, stabilità dei risultati rispetto a fluttuazioni casuali delle condizioni, ecc.

1.5. Fasi principali (fasi) dell'analisi quantitativa

La tecnica di analisi quantitativa può essere suddivisa mentalmente in più fasi successive (fasi) e quasi tutte le tecniche hanno le stesse fasi. Il corrispondente diagramma logico dell'analisi è mostrato in Fig. 1.2. Le fasi principali nella conduzione dell'analisi quantitativa sono: formulazione del problema analitico e scelta della metodologia, campionamento, preparazione del campione, misurazione del segnale, calcolo e presentazione dei risultati.

Enunciazione del problema analitico e scelta della metodologia. Il lavoro di un analista specializzato inizia solitamente con l'ottenimento ordine per analisi. L'apparizione di un tale ordine di solito deriva dalle attività professionali di altri specialisti, dall'emergere di alcuni I problemi. Tale problema potrebbe essere, ad esempio, fare una diagnosi, scoprire la causa di un difetto durante la produzione di alcuni prodotti, determinare l'autenticità di un pezzo esposto in un museo, la possibilità della presenza di qualche sostanza tossica nell'acqua del rubinetto, ecc. Sulla base delle informazioni ricevute da uno specialista (chimico organico, ingegnere industriale, geologo, dentista, investigatore della Procura, agronomo, archeologo, ecc.), l'analista deve formulare problema analitico. Naturalmente bisogna tenere conto delle capacità e dei desideri del “cliente”. Inoltre, è necessario raccogliere ulteriori informazioni (principalmente circa la composizione qualitativa del materiale che dovrà essere analizzato).

L'impostazione di un problema analitico richiede un analista altamente qualificato ed è la parte più difficile della ricerca imminente. Non è sufficiente determinare quale materiale dovrà essere analizzato e cosa esattamente deve essere determinato in esso. È necessario capire a quale livello di concentrazione dovrà essere effettuata l'analisi, quali componenti estranei saranno presenti nei campioni, con quale frequenza sarà necessario effettuare le analisi, quanto tempo e denaro si possono spendere per un'analisi , se sarà possibile consegnare i campioni al laboratorio oppure sarà necessario effettuare le analisi direttamente “sul posto”, se ci saranno limitazioni di peso e riproducibilità proprietà del materiale studiato, ecc. La cosa più importante è capire: quale accuratezza dei risultati dell'analisi dovrà essere garantita e come verrà raggiunta tale accuratezza!

Un problema analitico chiaramente formulato è la base per la scelta della metodologia ottimale. La ricerca viene effettuata utilizzando raccolte di documenti normativi (compresi metodi standard), libri di consultazione e recensioni su singoli oggetti o metodi. Ad esempio, se determineranno il contenuto di prodotti petroliferi nelle acque reflue utilizzando un metodo fotometrico, esamineranno monografie dedicate, in primo luogo, all'analisi fotometrica, in secondo luogo, ai metodi per analizzare le acque reflue e, in terzo luogo, a vari metodi per determinare i prodotti petroliferi . Esistono serie di libri, ognuna delle quali è dedicata alla chimica analitica di un elemento. Sono stati emanati manuali sui singoli metodi e sui singoli oggetti di analisi. Se non è stato possibile trovare metodi adeguati nei libri di consultazione e nelle monografie, la ricerca viene continuata utilizzando riviste astratte e scientifiche, motori di ricerca Internet, consultazioni con specialisti, ecc. Dopo aver selezionato i metodi adeguati, viene scelto quello che meglio soddisfa il compito analitico .

Spesso, per risolvere un problema specifico, non solo non esistono metodi standard, ma non esistono affatto soluzioni tecniche precedentemente descritte (problemi analitici particolarmente complessi, oggetti unici). Questa situazione si verifica spesso quando si conducono ricerche scientifiche e in questi casi è necessario sviluppare da soli una tecnica di analisi. Ma quando si eseguono analisi utilizzando i propri metodi, è necessario verificare con particolare attenzione la correttezza dei risultati ottenuti.

Campionamento. Sviluppare un metodo di analisi che lo consenta misurare la concentrazione del componente di nostro interesse direttamente nell'oggetto in studio è piuttosto raro. Un esempio potrebbe essere il sensore del contenuto di anidride carbonica nell'aria, installato nei sottomarini e in altri spazi chiusi, ma molto più spesso una piccola parte viene prelevata dal materiale studiato. campione- e consegnarlo al laboratorio di analisi per ulteriori ricerche. Il campione deve essere rappresentante(rappresentativo), cioè le sue proprietà e composizione dovrebbero coincidere approssimativamente con le proprietà e la composizione del materiale studiato nel suo complesso. Per gli oggetti di analisi gassosi e liquidi, è abbastanza facile prelevare un campione rappresentativo, poiché sono omogenei . Devi solo scegliere il momento e il luogo giusti per la selezione. Ad esempio, quando si prelevano campioni d'acqua da un serbatoio, si tiene conto che l'acqua nello strato superficiale differisce nella composizione dall'acqua dello strato inferiore, l'acqua vicino alle rive è più inquinata, la composizione dell'acqua del fiume non è lo stesso in diversi periodi dell'anno, ecc. Nelle grandi città, i campioni dell'aria atmosferica vengono prelevati tenendo conto della direzione del vento e dell'ubicazione delle fonti di emissione di impurità. Il campionamento non crea problemi nemmeno quando si esaminano prodotti chimici puri, anche solidi o polveri fini omogenee.

È molto più difficile selezionare correttamente un campione rappresentativo di una sostanza solida eterogenea (terreno, minerale, carbone, grano, ecc.). Se si prelevano campioni di terreno in punti diversi dello stesso campo, o da profondità diverse, o in tempi diversi, i risultati dell'analisi della stessa tipologia di campioni risulteranno diversi. Possono differire più volte, soprattutto se il materiale stesso era eterogeneo e consisteva in particelle di diversa composizione e dimensione.

La questione è complicata dal fatto che spesso il campionamento viene effettuato non dall'analista stesso, ma da operatori non sufficientemente qualificati o, quel che è molto peggio, da persone interessate ad ottenere un determinato risultato dell'analisi. Così, nelle storie di M. Twain e Bret Harte, viene descritto in modo colorato come, prima di vendere un sito aurifero, il venditore cercasse di selezionare per l'analisi pezzi di roccia con evidenti inclusioni d'oro e l'acquirente - roccia vuota. Non a caso, i risultati delle corrispondenti analisi hanno dato una caratterizzazione opposta, ma in entrambi i casi, errata dell'area oggetto di studio.

Per garantire la correttezza dei risultati dell'analisi, sono state sviluppate e adottate regole speciali e schemi di campionamento per ciascun gruppo di oggetti. Un esempio potrebbe essere l'analisi del suolo. In questo caso dovresti selezionare Alcuni grandi porzioni del materiale di prova in diversi punti dell'area di studio e poi combinarle. Viene calcolato in anticipo quanti punti di campionamento dovrebbero esserci e a quale distanza l'uno dall'altro dovrebbero essere posizionati questi punti. Viene indicato da quale profondità deve essere prelevata ogni porzione di terreno, quale massa dovrebbe essere, ecc. Esiste anche una speciale teoria matematica che consente di calcolare la massa minima del campione combinato, tenendo conto della dimensione delle particelle , l'eterogeneità della loro composizione, ecc. Maggiore è la massa del campione, più rappresentativo è; pertanto, per materiale disomogeneo, la massa totale del campione combinato può raggiungere decine e persino centinaia di chilogrammi. Il campione combinato viene essiccato, frantumato, accuratamente miscelato e la quantità del materiale da testare viene gradualmente ridotta (a questo scopo esistono tecniche e dispositivi speciali), ma anche dopo ripetute riduzioni, il peso del campione può raggiungere diverse centinaia di grammi. Il campione ridotto viene consegnato al laboratorio in un contenitore ermeticamente chiuso. Lì continuano a macinare e mescolare il materiale di prova (per calcolare la media della composizione) e solo allora prelevano una parte pesata del campione medio su una bilancia analitica per ulteriori analisi. preparazione del campione e successiva misurazione del segnale.

Il campionamento è la fase più importante dell'analisi, poiché gli errori che si verificano in questa fase sono molto difficili da correggere o da tenere in considerazione. Gli errori di campionamento sono spesso il principale contributo all’incertezza analitica complessiva. Se il campionamento non è corretto, anche l'esecuzione ideale delle operazioni successive non aiuterà: non sarà più possibile ottenere il risultato corretto.

preparazione del campione . Questo è il nome collettivo per tutte le operazioni a cui viene sottoposto in laboratorio un campione consegnato lì prima di misurare il segnale analitico. Durante preparazione del campione effettuare una serie di operazioni: evaporazione, essiccazione, calcinazione o combustione del campione, sua dissoluzione in acqua, acidi o solventi organici, ossidazione preliminare o riduzione del componente da determinare con reagenti appositamente aggiunti, rimozione o mascheramento delle impurità interferenti. Spesso è necessario concentrare il componente da determinare: da un campione di grande volume, il componente viene trasferito quantitativamente in un piccolo volume di soluzione (concentrato), dove viene quindi misurato il segnale analitico. Componenti campione con proprietà simili durante preparazione del campione cercano di separarli gli uni dagli altri per rendere più facile determinare la concentrazione di ciascuno individualmente. preparazione del campione richiede più tempo e manodopera rispetto ad altre operazioni di analisi; è abbastanza difficile da automatizzare. Va ricordato che ogni operazione preparazione del campione- questa è un'ulteriore fonte di errori di analisi. Meno operazioni di questo tipo ci sono, meglio è. I metodi ideali sono quelli che non prevedono la fase preparazione del campione("è venuto, misurato, calcolato"), ma esistono relativamente pochi metodi di questo tipo.

Misurazione analitica del segnale richiede l'uso di strumenti di misura adeguati, principalmente strumenti di precisione (bilance, potenziometri, spettrometri, cromatografi, ecc.), nonché di strumenti di misura precalibrati. Gli strumenti di misura devono essere certificati (“verificati”), cioè deve essere noto in anticipo quale errore massimo si può ottenere misurando un segnale utilizzando questo dispositivo. Oltre agli strumenti, le misurazioni del segnale in molti casi richiedono standard di composizione chimica nota (campioni di confronto, ad esempio, campioni standard statali). Servono per calibrare la metodologia (vedi capitolo 5), controllare e aggiustare gli strumenti. Anche il risultato dell'analisi viene calcolato utilizzando gli standard.

Calcolo e presentazione dei risultati - la fase di analisi più semplice e veloce. Devi solo scegliere il metodo di calcolo appropriato (utilizzando una formula o un'altra, secondo un programma, ecc.). Pertanto, per determinare l'uranio nel minerale di uranio, la radioattività del campione viene confrontata con la radioattività di un campione standard (minerale con un contenuto di uranio noto), quindi il contenuto di uranio nel campione viene trovato risolvendo la proporzione usuale. Tuttavia questo semplice metodo non è sempre adatto e l’utilizzo di un algoritmo di calcolo inadeguato può portare a gravi errori. Alcuni metodi di calcolo sono molto complessi e richiedono l'uso di un computer. Nei capitoli successivi verranno descritti in dettaglio i metodi di calcolo utilizzati nei diversi metodi di analisi, i loro vantaggi e le condizioni di applicabilità di ciascun metodo. I risultati dell’analisi devono essere elaborati statisticamente. Tutti i dati relativi all'analisi di un determinato campione si riflettono nel diario di laboratorio e il risultato dell'analisi viene inserito in un protocollo speciale. A volte l'analista stesso confronta i risultati dell'analisi di diverse sostanze tra loro o con determinati standard e trae conclusioni significative. Ad esempio, sulla conformità o non conformità della qualità del materiale in studio con i requisiti stabiliti ( controllo analitico).