Реферат физические методы анализа

Обновлено: 04.07.2024

Идентификация веществ, определение их химического состава и строения является важной задачей химии, т.к. состав и структура соединения определяет его реакционную способность и свойства.
Современные физические методы исследования химических веществ обширны и имеют в своей основе различные принципы качественного обнаружения и количественного определения элементного состава.
При выборе метода следует иметь представление о его сути и учитывать основные критерии применимости:
- способность обеспечить измерение аналитического сигнала,
- чувствительность, предел обнаружения,
- рабочий диапазон прибора,
- информативность метода,
- влияние мешающих определению факторов и компонентов,
- возможность автоматизировать метод исследования.
Выяснение элементного состава вещества является первоочередной задачей химика. Это помогает предположить или установить возможную структуру химического соединения, либо контролировать качество и чистоту уже известного продукта. Точная картина состава вещества необходима и для его идентификации, и для контроля цепи химических превращений и т.д.
Современные инструментальные методы позволяют не просто качественно обнаружить элементы в исследуемой пробе, но провести точный количественный анализ.
Целью данной работы является обзор физических методов исследования, применяемых в химическом анализе для установления элементного состава соединений.
Задачи работы:
- изучить литературные источники по выбранной теме,
- привести классификацию методов определения элементного состава веществ,
- рассмотреть сущность основных физических методов определения элементного состава веществ, их принципиальное аппаратурное оформление и диапазоны применимости.
1. Классификация методов определения
элементного состава веществ

Все многообразие методов элементного анализа веществ классифицируется на 4 основные группы: химические, физико-химические, физические и комбинированные [2].
В основе химических методов определения элементного состава лежит принцип химического взаимодействия, превращения анализируемого вещества. Данная группа делится на следующие подгруппы:
- гравиметрия,
- титриметрия,
- фотометрические методы (турбидиметрические, нефелометрические).
Физико-химические методы основаны на изменении химического состояния определяемого элемента под действием физических факторов (изменение температуры, воздействие светового излучения или электричества и др.) или же на возникновении при этом некоторого физического эффекта (термического, электрического, светового и т.д.). Сюда относятся:
- электрохимические методы (полярография, кулонометрия, потенциометрия, кондуктометрия, электрогравиметрия),
- люминесцентные методы (фосфоресцентные и флуоресцентные),
- хроматография.
Физические методы базируются на свойствах атомов определяемых элементов давать ответные реакции от воздействия на их ядра или электронные оболочки. В этой группе различают подгруппы:
- спектрометрические методы; среди них: оптические спектральные (атомно-эмиссионный анализ, атомно-абсорбционный, атомно-флуоресцентный) и рентгеноспектральные (флуоресцентные, абсорбционные), масс- спектрометрия. В некоторых работах масс-спектрометрия выделяется в отдельную груббу комбинированных физических методов анализа [7].
- ядерно-физические; среди них: радиометрические активационные (нейтронно-активационный метод, активационный с активацией заряженными частицами, гамма-активационный) и абсорбционно-дисперсионные (нейтронно-абсорбционный, метод отраженных бета-частиц, гамма-абсорбцион-ный.
- комбинированные физические (масс-спектрометрия).
Комбинированные методы сочетают принципы химических, физико-химических и физических групп попарно в любом сочетании. Сюда относят пробирный анализ и метод изотопного разбавления.
В настоящее время лидирующее место по использованию в аналитических исследованиях состава веществ имеют инструментальные: физико-химические (особенно высокоточные кулонометрия и электрогравиметрия) и, конечно же, физические методы [6].
2. Спектрометрические методы исследования элементного состава

Как было показано выше, физические методы определения состава вещества включают спектрометрические и ядерно-физические подгруппы методов.
Строение электронной оболочки атома каждого элемента определяет его индивидуальный атомный спектр.
Это может быть спектр поглощения (абсорбционный спектр), когда поступающее на атом излучение поглощается им, а энергия излучения достаточна для перехода электрона с занимаемого на более высокий энергетический уровень и равна разности энергий этих двух уровней.
Или же можно получить спектр испускания (эмиссионный спектр), если атом переходит из возбужденного состояния в стабильное с переходом электрона с занимаемого на более низкий энергетический уровень. При этом испускается квант излучения с энергией, равной разности энергий этих двух уровней.
Наблюдаемые в спектрах частоты соответствуют разностям энергий (Е) двух состояний электрона:
ν1, 2 = (E2 − E1)/h,
где h – постоянная Планка.
Содержание определяемого элемента в образце и в том, и в другом случае определяется по интенсивности линии (или нескольких линий) атомного спектра [6].
Спектрометрические методы в свою очередь могут быть оптическими спектральными, либо рентгеноспектральными.
Если электронные переходы обоих видов (и с повышением, и с понижением энергетического уровня) протекают во внешних электронных оболочках атомов, линии получаемых атомных спектров лежат в оптическом диапазоне. К оптическим методам относят атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный анализ, а также атомно-флуоресцентную спектроскопию.
Если же электронные переходы идут во внутренних электронных оболочках, то линии атомного спектра будут проявляться в рентгеновском диапазоне (рис. 1).

Рис. 1. Шкала электромагнитных волн [9].
2.1. Методы оптической спектрометрии

Рассмотрев в предыдущем разделе общие представления о сущности оптической спектрометрии, проанализируем далее методики атомно-эмиссионного и атомно-абсорбционного анализа.

2.1.1. Атомно-эмиссионная спектрометрия (АЭС)

Метод АЭС основывается на измерении спектра испускания парами химических элементов анализируемой пробы в области длин волн λ = 120 – 1000 нм. Интенсивность излучения с определенной длиной волны служит мерой содержания, концентрации того или иного элемента в пробе [3].
Чтобы получить спектр испускания атомов вещества в УФ- и видимой области необходимо облучение такой энергии, чтобы его хватило на:
1) разрыв межмолекулярных химических связей в твердом или конденсированном веществе, с образованием отдельных молекул;
2) диссоциацию молекулы на отдельные атомы;
3) переход атомов из основного состояния в возбужденное, причем изменение энергетического состояния должно затронуть только внешние валентные электроны.
Испарение и атомизацию вещества с последующим возбуждением атомов проводят при температуре выше 1000 0С в устройствах-атомизаторах, могущих иметь различные типы источников возбуждения (табл. 1).

Таблица 1 – Типы источников возбуждения и возможности атомизатора [9]

Тип
источника
возбуждения Т, 0С Агрегатное состояние пробы Сн, % масс.
10-х σг, % Определяемые элементы
1 2 3 4 5 6
Пламя (топливо + окислитель) 1500–3000 Раствор -7 – -2 1–5 Щелочные и щелочноземельные металлы
Электрическая дуга 3000–7000 Твердое -4 – -2 10–20 Несколько
десятков
Электрическая искра 10000–12000 Твердое -3 – -1 5–10 Несколько
десятков
Индуктивно связанная плазма ИСП 6000–10000 Раствор,
аэрозоль -8 – -2 0,5–5 70, в т.ч. P, S, As, B, Sn
Тлеющий разряд – бомбардировка ионами при пониженном давлении
Твердое -4 – -2
С, S, Р, металлы
Продолжение табл. 1
1 2 3 4 5 6
инертного газа (полый катод)

Лазер, испарение с поверхности (лазерная абляция)
Твердое

Несколько
десятков
Примечание. Сн, % масс. 10-х – предел определения элемента, σг, % - относительное стандартное отклонение.
Жидкие пробы впрыскиваются пневматическим или ультразвуковым распылителем образуя аэрозоль, твердые – либо переводятся в растворенное состояние, либо помещаются в виде порошка в специальное углубление в нижнем электроде атомизатора (кроме пламенного и ИСП).
Число сигналов в спектре определяется числом валентных электронов атома, строением электронных оболочек (s, p, d, f), поэтому для Na и К, например, составляет несколько единиц, а для Fe и W – до нескольких тысяч.
Излучение из атомизатора через оптическую систему из фокусирующей линзы и щели попадает в анализатор (монохроматор или спектральный прибор), в котором излучение разделяется по частотам, выделяясь в спектральные линии определяемых элементов.
Монохроматические линии после анализатора детектируются приемником излучения и регистрируются.
Рис

Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы

Рис. 1. Шкала электромагнитных волн [9].
2.1. Методы оптической спектрометрии

2.1.1. Атомно-эмиссионная спектрометрия (АЭС)

Таблица 1 – Типы источников возбуждения и возможности атомизатора [9]

Лазер, испарение с поверхности (лазерная абляция)
Твердое

1 – емкости с компонентами горючей смеси, 2 – регуляторы давления, 3 – распылительная камера атомизатора, 4 – горелка, 5 – исследуемый раствор, 6 – устройство для осушения распылительной камеры, 7 – фокусирующая линза, 8 – входная щель, 9 – призматический монохроматор, 10 – выходная щель, 11 – детектор, 12 – регистрирующее устройство

Рис. 2. Принципиальная схема пламенного фотометра [3].

Рис. 3. Типичный вид градуировочной зависимости для определения состава вещества методом АЭС, полученной для спектрографа [4].

При использовании фотоэлектрического приемника зависимость I = f(С) имеет линейный вид в широком диапазоне концентраций.
Концентрацию элемента Сх в пробе находится далее из соотношения [6]:

где Iх, Iст – интенсивность излучения элемента в пробе и в стандартном образце соответственно,
b – коэффициент самопоглощения света невозбужденными атомами.

2.1.2. Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС)

1 – линзы, 2 – эшеелле-решетка, 3 – поворотные зеркала, 4 – входная щель,
5 – призма, 6 – внеосевые параболоиды

Рис. 4. Схема атомно-абсорбционного спектрометра [8].

Содержание

Содержание.
1. Введение. стр.3
2.Краткая история физико – химического метода анализа. стр.4
3. Общая характеристика физико – химического метода анализа. стр.6
4. Классификация физико-химических методов анализа. стр.8
4. а) спектральные и другие оптические методы анализа. стр.9
4. б) электрохимические методы анализа. стр.11
4. в) хроматографические методы анализа. стр.12
4. г) радиометрические методы анализа. стр.16
4. д) масс-спектрометрические методы анализа. стр.17
5. Основные приемы, используемые в физико-химических методах анализа. стр.17
6. Заключение. стр.20
7. Список литературы.

Работа содержит 1 файл

реферат по азв.docx

Министерство образования Российской Федерации

Институт экологии и географии

Реферат по аналитической химии

II курса, 206 группы

Преподаватель: Доцент, Валеева Г.Р.

1. Введение. стр.3

2.Краткая история физико – химического метода анализа. стр.4

3. Общая характеристика физико – химического метода анализа. стр.6

4. Классификация физико- химических методов анализа. стр.8

4. а) спектральные и другие оптические методы анализа. стр.9

4. б) электрохимические методы анализа. стр.11

4. в) хроматографические методы анализа. стр.12

4. г) радиометрические методы анализа. стр.16

4. д) масс-спектрометрические методы анализа. стр.17

5. Основные приемы, используемые в физико-химических методах анализа. стр.17

6. Заключение. стр.20

7. Список литературы. стр.22

Физико-химические методы анализа являются основным рабочим средством в современной аналитической химии. Все большее число возможных принципов анализа реализуется в инструментальных методах, появляются узкоспециализированные приборы, предназначенные для анализа конкретных продуктов, приборы для автоматического контроля химико-техгнологических процессов. Увеличивается число приборов, сочетающих несколько аналитических методов. [2]

Применение физико – химических методов анализа дает возможность в производственных условиях проводить автоматический контроль процессов и их автоматическое регулирование. Автоматический контроль производства обеспечивает непрерывное наблюдение за производственным процессом и автоматическую запись результатов наблюдений. [ 3]

Краткая история физико-химических методов анализа.

Физико- химические методы анализа можно считать составной частью большой и самостоятельной научной дисциплины – физико-химического анализа. Физико-химический анализ использует взаимосвязь между составом химической системы и ее физическими свойствами для широкого и всестороннего изучения происходящих в ней химических и фазовых превращений.

Когда же говорят о физико-химических методах анализа, имеют ввиду то направление в физико- химическом анализе, которое использует эту взаимосвязь для решения утилитарно аналитических задач. Подобно химии, корнями своими физико-химический анализ уходит в глубокую древность. Архимед, определивший примесь серебра в золоте по измерению плотности металла (начало третьего века нашей эры), применил типично физико-химическую методику. Долгие века она использовалась для установления фальсификации монет.

Результаты физико – химического анализа системы обобщаются в ее диаграмме состояния. Широкое применение находят диаграммы, выражающие зависимость температуры плавления от состава сплавов металлов или солевых систем. Экпериментальные данные для построения этих диаграмм получают методом термического анализа. Этот метод впервые применен Н.С.Черновым, исследования которого положили основу современному металловедению. Большое значение в развитии физико – химического анализа сплавов имеют труды П.П.Аносова.

Дальнейшие исследования в области физико – химического анализа, в результате которых эта дисциплина приобрела право на самостоятельное существование, связаны с трудами академика Н.С. Курнакова и его школы. Теория физико – химического анализа базируется на работах Гиббса, Вант-Гоффа, Ле Шателье, Таммана и др.

Особенно интенсивное развитие физико – химических методов анализа и расширение областей применения их происходят в последнее время. Это связано не только с особой сложностью задач, стоящих сейчас перед аналитической химией, но и с теми возможностями, которые для этого представляет современное приборостроение, электроника и автоматика. Принципиально каждое из свойств системы может быть использовано для ее исследования и определения состава, если будет найден надежный способ его измерения и сопоставления с химическими изменениями в системе. Это предопределяет дальнейшее развитие физико- химических методов анализа, появление всеновых и новых методов и их модификаций.

Революция в инструментальных методах произошла в 30-е годы ХХ века. Это связано с бурным развитием электроники в то время. [4]

Общая характеристика физико-химических методов анализа.

Физико-химическими называют методы качественного и количественного анализа, основанные на измерении различных физических величин, изменение которых обусловлено химическими реакциями. Их вместе с физическими методами анализа называют инструментальными, т.к. они требуют применения приборов и измерительных устройств. [5]

Сущность физико-химического анализа, созданного на основе трудов Д.И.Менделеева, Я.Г. Ван-Гоффа, Н.С. Курнакова и других ученых, заключается в изучении соотношении между составом и свойствами химических равновесных систем. [3]

В основе физико-химических методов количественного анализа лежит химическая реакция или физико-химический процесс.

Характерная особенность физических методов заключается в том, что в них измеряют физические параметры без предварительного проведения химической реакции.

Задачей аналитической химии является определение содержания тех или иных веществ в исследуемой системе наиболее быстрыми, точными и рациональными методами. В зависимости от поставленных задач используется реакция, которая либо обнаруживает их присутствие, либо позволяет определить их количество в системе. В первом случае мы имеем дело с качественным, а во втором с количественным методом анализа.

Выбор метода является важной составной частью аналитической задачи и определяется целью анализа, а так же другими условиями. Все применяемые ныне методы можно разделить на химические, физические и физико-химические методы. Критериями для оценки и выбора методов анализа служат их метрологические характеристики:

- предел обнаружения ( чувствительность)

- верхняя и нижняя границы определяемых содержаний

Химические методы анализа основаны на химических свойствах веществ, на непосредственных результатах их способности принимать участие в какой-либо специфической химической реакции.

Физико-химические методы анализа основаны на взаимосвязи между составом системы и ее физическими и физико-химическими свойствами. Решение аналитической задачи физико-химическими методами обычно разбивается на следующие этапы:

1. приготовление стандартных растворов (систем), отличающихся друг от друга только содержанием определяемого вещества.

2. количественная оценка (изменение величины) некоторого свойства системы для каждого из стандартных растворов.

3. Графическое выражение установленной зависимости ( построение калибровочного графика) в координатах: концентрация определяемого вещества (по оси абсцисс) – численное выражение данного свойства (по оси ординат).

4. Изменение выбранного свойства для определенного раствора и определение его концентрации по калибровочному графику.

Физико-химические методы анализа имеют следующие достоинства:

1) селективность: некоторые методы позволяют одновременно определять десятки компонентов, входящих в состав исследуемой системы;

2) экспрессность - высокая скорость выполнения анализа;

3) предел обнаружения ниже, чем у химических методов. Физико-химическими методами можно проводить анализ при содержании компонента 10 -4 – 10 -5 % масс, химическими методами – 10 -1 – 10 -2 % масс;

4) физико-химические методы дают возможность работать с ненарушенными образцами, поэтому они нашли широкое применение в биологии и медицине. [4], [3]

Классификация физико-химических методов анализа

Общее число физико-химических методов анализа довольно велико – оно составляет несколько десятков. Наибольшее практическое значение имеют следующие:

спектральные;
электрохимические;
хроматографические;
Радиометрические;
Масс-спектрометрические.

Среди указанных трех групп наиболее обширной по числу методов и важной по практическому значению является группа спектральных и других оптических методов анализа. Она включает методы эмиссионной атомной спектроскопии, атомно-абсорбционной спектроскопии, инфракрасной спектроскопии, спектрофотометрии, люминисценции и другие методы, основанные на измерении различных эффектов при взаимодействии вещества с электромагнитным излучением.

Группа электрохимических методов анализа, основанная на измерении электрической проводимости, потенциалов и других свойств, включает методы кондуктометрии, потенциометрии, вольтамперметрии и т.д.

В группу хроматографических методов входят методы газовой и газожидкостной хроматографии, жидкостной распределительной, токослойной, ионообменной и других видов хроматографии.

Радиометрическим анализом называют метод определения качественного и количественного состава вещества, основанный на использовании радиоактивных изотопов, обычно вводимых в реагенты или образующихся в анализируемом веществе под действием жёсткого облучения. Результаты радиометрического анализа получают по данным измерений радиоактивности продуктов реакции с помощью радиометрических приборов.

Масс – спектроскопический метод анализа основан на ионизации атомов и молекул изучаемого вещества и последующем разделении образующихся ионов в пространстве или во времени. Масс спектрометрия до настоящего времени является одним из основных методов получения информации о массах ядер и атомов и оценки распространенности изотопов в природе. [6],[3].

4. а) Спектральные и другие оптические методы анализа.

Спектральные и другие оптические методы анализа основаны на использовании различных явлений и эффектов, возникающих при взаимодействии вещества и электромагнитного излучения.

В настоящее время есть много специалистов, посвятивших себя физическим или химическим наукам, а иногда сразу и тому и другому. Действительно, большинство явлений можно логически объяснить именно посредством таких опытов. Физические методы исследования рассмотрим поподробнее.

Методы анализа в аналитической химии

Аналитическая химия – наука об обнаружении, разделении и определении химических веществ. Для проведения тех или иных операций с соединениями используются химический, физический и физико-химический методы анализа. Последний метод еще называют инструментальным, так как для его применения необходима современная лабораторная аппаратура. Он подразделяется на спектроскопические, ядерно-физические и радиохимические группы.

Вам будет интересно: Что такое драже? История и происхождение понятия

Кроме того, в химии могут быть задачи разного типа, требующие индивидуальных способов решения. В зависимости от этого существуют методы качественного (определение названия и формы вещества) и количественного (определение того, сколько данного вещества содержится в аликвоте или навеске) анализа.

Методы количественного анализа

Они позволяют определить содержание исходного вещества в образце. Всего различают химический, физико-химический и физический методы количественного анализа.

Химические методы количественного анализа

Вам будет интересно: Понятия о скорости, тангенциальном и нормальном ускорениях. Формулы

Они подразделяются на:

В свою очередь он делится на следующие подразделы:

объемный титриметрический анализ применяется при известной концентрации реактива, на реакцию с которым расходуют искомое вещество, а затем измеряют затраченный объем;
объемный газовый метод заключается в том, чтобы проанализировать газовые смеси, где исходное вещество поглощается другим.
объемный седиментационный (с латинского sedimentum - "оседание") основан на расслоении дисперсной системой в результате действия силы тяжести. Это сопровождается выпадением осадка, объем которого измеряют с помощью центрифужной пробирки.

Вам будет интересно: Что такое туча? Определение

Химические методы не всегда удобны для использования, так как очень часто необходимо разделить смесь, чтобы выделить нужный компонент. Чтобы проделать такую операцию без использования химических реакций, применяют физические методы анализа. А для наблюдения за изменением физических свойств соединения в результате проведения реакций – физико-химические.

Физические методы количественного анализа

Их применяют во время многих лабораторных исследований. К физическим методам анализа относятся:

Физико-химические методы количественного анализа

Так как эти методы являются всего лишь частью физических методов анализа вещества, то они также подразделяются на спектроскопический, ядерно-физический и радиохимический способы исследования.

Методы качественного анализа

В аналитической химии для того чтобы изучить свойства вещества, определить его физическое состояние, цвет, вкус, запах, применяют методы качественного анализа, которые, в свою очередь, подразделяются на те же химические, физические и физико-химические (инструментальные). Причем предпочтительными являются в аналитической химии физические методы анализа.

Химические методы проводятся двумя путями: реакциями в растворах и реакциями сухим путем.

Реакции мокрым путем

Протекания реакций в растворах имеет некоторые условия, одно или несколько из которых должны обязательно выполняться:

Образование осадка может происходить, например, в результате взаимодействия хлорида бария (BaCl2) и серной кислоты (H2SO4). Продуктами реакции будут хлороводородная кислота (HCl) и нерастворимый в воде осадок белого цвета – сульфат бария (BaSO4). Тогда необходимое условие протекания химической реакции будет выполняться. Иногда продуктами реакции могут быть пара веществ, которую необходимо разделить посредством фильтрования.

Вам будет интересно: Геометрическая фигура призма. Свойства, виды, формулы объема и площади. Правильная треугольная призма

Изменение цвета раствора в результате химического взаимодействия является очень важным признаком анализа. Чаще всего это наблюдается при работе с окислительно-восстановительными процессами или при использовании индикаторов в процессе кислотно-основного титрования. К веществам, которые могут окрасить раствор с соответствующий цвет, относятся: тиоционат калия KSCN (его взаимодействие с солями железа III сопровождается кроваво-красным окрашиванием раствора), хлористое железо (при взаимодействии его с хлорной водой слабо-зеленый цвет раствора переходит в желтый), дихромат калия (при восстановлении и под действием серной кислоты переходит из оранжевой окраски в темно-зеленую) и другие.

Реакции, протекающие с выделением газа, не являются основными и используются в редких случаях. Чаще всего в лабораториях получают углекислый газ CO2.

Реакции сухим путем

Такие взаимодействия производятся для определения содержания примесей в анализируемом веществе, при исследовании минералов, и состоит оно из нескольких этапов:

Обычно на способность к плавлению проверяют минеральные вещества, предварительно нагревая небольшой их образец над газовой горелкой и под лупой наблюдая закругления его краев.

Чтобы проверить, насколько проба способна окрашивать пламя, ее вносят на проволоке из платины сначала в основание пламени, а потом в место, нагретое больше всего.

Летучесть образца проверяют в пробирном цилиндре, который нагревают после введения исследуемого элемента.

Реакции окислительно-восстановительных процессов чаще всего проводят в сухих шариках сплавленной буры, в которые и помещают образец, а затем подвергают его нагреванию. Существуют и другие способы проведения данной реакции: накаливание в трубке из стекла со щелочными металлами – Na, K, простым нагреванием или нагреванием на древесном угле и так далее.

Использование химических индикаторов

Иногда в методах химического анализа используются различные индикаторы, которые помогают определить pH среды вещества. К наиболее часто используемым относятся:

Физические методы качественного анализа

В настоящее время они часто используются как в промышленных, так и в лабораторных исследованиях. Примерами физических методов анализа являются:

Таким образом, эти методы пользуются большим спросом, по сравнению с обычными химическими, потому что они имеют ряд преимуществ. Однако сочетание химических и физических методов анализа в аналитической химии дает куда лучший и точный результат исследования.

Физико-химические (инструментальные) методы качественного анализа

К ним относятся следующие категории:

Следует знать, что в основном физико-химические и физические методы анализа в химии объединяют в одну группу, поэтому при отдельном их рассмотрении они имеют много схожего.

Физико-химические методы разделения веществ

Очень часто в лабораториях возникают такие ситуации, когда невозможно извлечь требуемое вещество без отделения его от другого. В таких случаях используются методы разделения веществ, к которым относятся: