Реферат на тему. Физико-химические методы анализа. Оптический метод анализа

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ БУРЯТИЯ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «РЕСПУБЛИКАНСКИЙ БАЗОВЫЙ
МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ ИМЕНИ Э.Р. РАДНАЕВА»
ГУРЭНЭЙ МЭРГЭЖЭЛТЭ hУРАЛСАЛАЙ БЭЕЭ ДААhАН ЭМХИ ЗУРГААН
«Э.Р. РАДНАЕВАЙ НЭРЭМЖЭТЭ УЛАС ТУРЫН ЭМШЭЛЭЛГЫН
ГОЛ КОЛЛЕДЖ»
Реферат по аналитической
химии на тему:
«Физико-химические методы
анализа. Оптический метод анализа»
Выполнил(а): студентка 511 группы
Дарбакова О.К.
Проверил(а): Цыренова С.Б.
Улан-Удэ
2020 г.
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Введение ……………………………………………….…………………….
3
1. Характеристика физико-химических методов анализа …..….……….
5
2. Характеристика оптических методов анализа …….……………..……
18
Заключение ………………………………………………..………..………..
27
Список используемой литературы …………………..…..……..…………..
28
ВВЕДЕНИЕ
Физико-химические методы количественного анализа основаны на зависимости физических свойств вещества от его химического состава, причем аналитический сигнал представляет собой величину физического
свойства, функционально связанную с концентрацией
или количеством определяемого компонента. Физикохимические методы анализа могут включать химические превращения определяемого компонента с переводом
его в аналитическую форму, концентрирование анализируемого компонента, маскирование мешающих веществ. В отличие от классических химических методов
анализа, где аналитическим сигналом служит масса
вещества или его объем, в физико-химических методах в
качестве аналитического сигнала используют интенсивность излучения, силу тока, электропроводность,
разность потенциалов и др.
Важное практическое значение имеют методы, основанные на исследовании испускания и поглощения
электромагнитного излучения в различных областях
спектра. К ним относится спектральный анализ, спектрофотометрия, люминесцентный анализ, нефелометрия, турбидиметрия и ряд других методов. К важным
физико-химическим
также
методам
электрохимические,
анализа
использующие
относятся
измерение
электрических свойств вещества (потенциометрия, амперометрия, кондуктометрия и т.д.), и хроматографические
методы
(газовая,
жидкостная,
ионообменная,
тонкослойная хроматография).
Физико-химические
методы
анализа
требуют
наличия специальной, иногда довольно сложной, измерительной аппаратуры, в связи с чем эти методы часто называют инструментальными. Многие современные
приборы оснащены встроенными компьютерами, которые позволяют находить оптимальные условия анализа
(например, спектральную область для получения наиболее точных результатов при анализе смеси окрашенных
веществ), а за счет использования специальных математических методик обработки результатов анализа
— повысить точность и чувствительность определения.
1. ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
АНАЛИЗА
Сущностью физико-химического анализа, основателями которого были Д. И. Менделеев, Я. Г. Ван-Гофф, Н.
С. Курнаков, является использование различных физических свойств сложных химических систем для определения их состава. В большинстве случаев зависимость физических свойств от состава очень сложна. Часто свойство является многозначной функцией состава, что
затрудняет его использование для аналитических целей.
Например, одним и тем же значением электропроводности или показателя преломления могут характеризоваться растворы, существенно различающиеся как по
качественному, так и по количественному составу. Поэтому для прямых физико-химических методов используются только те физические свойства, которые однозначно определяются составом, либо анализ проводится в таких условиях, в которых состав однозначно
определяет свойство.
Кроме прямых методов в аналитической химии
широко используются и косвенные физико-химические
методы, в которых величина физического свойства ис-
пользуется для определения точки эквивалентности в
титровании.
Широкое распространение физико-химических методов анализа в первую очередь связано с тем, что они
обладают
значительно
большей чувствительностью по
сравнению с классическими химическими методами.
Если обычными химическими методами можно определить концентрацию вещества порядка 105моль/л, то
для некоторых физико-химических методов определяемый минимум меньше почти на пять порядков и составляет 109—1010 моль/л. В связи с тем, что в практике аналитической химии все большее место занимает
определение следовых количеств веществ, это преимущество физико-химических методов становится решающим.
Другим
преимуществом
этих
методов
являет-
ся селективность. Эмиссионная спектроскопия, полярография, инверсионная вольтамперометрия и некоторые
другие методы позволяют одновременно качественно и
количественно определить несколько компонентов, что
значительно ускоряет проведение анализов, а это особенно важно в производственных условиях, а также для целей экологического мониторинга.
Еще
одним
важным
достоинством
физико-
химических методов является то, что они достаточно
просто поддаются полной автоматизации и могут
служить и служат основой для разработки различного
рода
химических
сенсоров,
способных,
в
частности,
функционировать в составе автоматизированных стационарных и портативных аналитических комплексов.
Разработка химических сенсоров — это новое и перспективное направление в развитии аналитической химии.
Физико-химические методы в настоящее время широко используются для анализа полупроводниковых материалов и материалов атомной промышленности, в
медицине, фармацевтике, пищевой промышленности, в
системе экологического мониторинга.
Основной
задачей
любой
методики
физико-
химического анализа является извлечение информации
о качественном и количественном составе вещества с использованием различных приборов. Поэтому аналитическая методика представляет собой сложную, многостадийную измерительную процедуру, целью которой является измерение величины какого-либо физического параметра, функционально связанного с наличием и содержанием определяемого компонента в пробе.
В общем случае такая физическая величина называется аналитическим
сигналом (у).
В
физико-
химическом анализе в качестве аналитического сигнала
могут выступать, например, светопоглощение раствора
(фотометрия), интенсивность люминесценции (люминесцентный
анализ),
предельный
диффузионный
ток
(вольтамперометрия) и т.п.
Функциональную связь между аналитическим сигналом и содержанием (например, концентрацией) определяемого компонента можно представить как у = ƒ(С).
Функция ƒ, связывающая содержание определяемого
компонента и величину аналитического сигнала, называется градуировочной функцией.
Таким образом, процедура извлечения информации
о содержании определяемого компонента в пробе в ходе
анализа включает в себя следующие обязательные этапы.
1. Установление вида градуировочной функции ƒ.
2.
Измерение
величины
аналитического
сигнала
анализируемой пробы у.
3. Нахождение по величине у с помощью функции ƒ
содержания определяемого компонента С.
Поэтому все измерения химических величин являются косвенными. Они основаны на использовании гра-
дуировочной функции, а анализ любого объекта заключается в измерении величины аналитического сигнала.
После его математической обработки можно получить
информацию о содержании определяемого компонента в
исследуемом объекте.
В случае необходимости обнаружения какого-либо
компонента (качественный анализ) обычно фиксируют
только факт появления аналитического сигнала.
Величина
аналитического
сигнала
состоит
из полезного сигнала, являющегося функцией определяемого
компонента,
и аналитического
сигнала
фо-
на, обусловленного примесями определяемого вещества в
используемых реактивах, другими компонентами исследуемого объекта, а также шумами, возникающими в
измерительных приборах.
Обычно аналитический сигнал фона учитывается
при
осуществлении контрольного (холостого) опыта,
в
ходе которого через все стадии анализа проводится объект,
аналогичный
исследуемому,
но
не
содержащий
определяемый компонент. Полезный сигнал определяется
как разность измеренного аналитического сигнала и
аналитического сигнала фона.
В большинстве случаев по величине аналитического
сигнала невозможно непосредственно рассчитать содержание определяемого компонента, так как невозможно
теоретически учесть все факторы, способные оказывать
влияние на аналитический сигнал. Поэтому на практике определение содержания проводят, либо, используя
экспериментально
установленный
вид
градуировочной
функции (метод калибровочного графика), либо сравнивая величину аналитического сигнала в исследуемой среде с сигналом в среде, содержащей известное количество
определяемого
компонента {метод
стандартов),
либо
анализируя изменение сигнала при добавлении в исследуемую среду известного количества определяемого компонента (метод добавок).
Наиболее универсальным является метод калибровочного
графика.
Теоретический
вид
градуировочной
функции для разных физико-химических методов анализа обычно хорошо известен. Для большинства методов
эта зависимость в тех или иных координатах может
быть представлена в виде прямой линии. Поэтому, как
правило, бывает достаточно определить величину аналитического сигнала для 3—5 стандартных образцов с
известной концентрацией определяемого компонента и
построить по этим данным калибровочный график. Если градуировочная функция оказывается нелинейной, то
в этом случае требуется большее количество стандартных образцов.
Параметры калибровочного графика обычно определяются методом наименьших квадратов, согласно которому сумма квадратов отклонений экспериментальных точек, представляющих собой значения аналитического сигнала для стандартных образцов, от калибровочного графика должна быть минимальной. В настоящее время существуют программные продукты, позволяющие рассчитать методом наименьших квадратов
параметры
оптимального
калибровочного
графика
практически для любой функциональной зависимости.
Пример 1. При полярографическом анализе стандартных растворов свинца (II) получили следующие результаты:
Концентрация
CPb* 106, г/мл
свинца
Высота пика h, мм
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
2,0
4,0
6,0
8,0
10
Пробу алюминиевого сплава массой 4,848 г растворили, и раствор разбавили до 50,00 мл. Высота полярографической волны свинца в полученном растворе оказа-
лась равной Апробы = 7,0 мм. Вычислим массовую долю (%)
свинца в образце.
Рис. 1. Калибровочный график для полярографического
определения содержания свинца в растворе
Решение. В данном случае аналитическим сигналом
является высота волны на полярограмме — зависимости тока, проходящего через рабочий электрод, от его
потенциала. Поэтому строим калибровочный график
(рис. 1) в координатах «h — Срь».
По графику находим Спробы = 0,87 • 106 г/мл, соответствующую hпробы = 7,00 мм, и рассчитываем массовую долю (%) свинца в сплаве:
Метод стандартов и метод добавок используются в
том случае, когда по каким-то причинам невозможно
построить калибровочный график. Это бывает, напри-
мер, если неизвестен точно состав образца или достаточно проблематично его точное воспроизведение в лабораторных условиях для приготовления стандартных образцов. Готовить эталоны-стандарты для калибровочного графика иногда нецелесообразно, если это анализ
единичного образца или анализ в нестандартных условиях, например по температуре, давлению, влажности и
т.п.
Применение этих методов допустимо только в том
случае, если градуировочная функция линейна или сводится к линейной форме. В методе стандартов измеряют аналитический сигнал в анализируемой среде и в
среде с известным содержанием определяемого компонента (эталоне или стандарте). Предположим, что концентрация определяемого компонента в пробе равна Сх, а
величина аналитического сигнала — ух, в стандарте —
С0 и y0 соответственно. Тогда для линейной зависимости
справедливо соотношение
Более точный результат получается при использовании двух эталонов, в одном из которых содержание
определяемого компонента (С1) меньше, а во втором (С2)
больше, чем предполагаемое содержание Сх в анализируемой пробе (С1 < Сх < С2). Этот вариант метода стандартов
называют
иногда методом
ограничивающих
растворов. Для линейной зависимости содержание определяемого компонента рассчитывают по формуле
где y1 y2 ух — аналитический сигнал в эталонных средах
и анализируемой пробе соответственно.
В тех случаях, когда необходимо учесть влияние состава среды на величину аналитического сигнала, часто
используют
методы
добавок
расчетный
(или
метод
стандартной добавки) и графический (или метод многократной добавки).
В расчетном
методе измеряется
аналитический
сигнал в анализируемой пробе, затем в нее вводится добавка точно известного количества определяемого компонента и проводится повторное измерение сигнала. Если концентрация определяемого компонента в пробе
равна Сх, а в добавке – Сдоб, объем пробы — Vx, а объем добавки — Vдоб, аналитический сигнал в первом случае —
ух, а во втором — ух+доб, то
Отсюда следует, что концентрацию определяемого
компонента можно рассчитать по формуле
При
определении
содержания
компонен-
та графическим методом в анализируемую пробу многократно добавляют в одинаковых количествах определяемый компонент и измеряют аналитический сигнал в
исходной пробе и после каждой добавки. Строят график
зависимости величины аналитического сигнала от содержания добавки, приняв за условный нуль содержание
определяемого компонента в анализируемой пробе без добавки. Экстраполяция полученной прямой до пересечения с осью абсцисс дает отрезок, величина которого в выбранном масштабе и единицах измерения соответствует искомому содержанию определяемого компонента
(рис. 2).
Рис. 2. Обработка аналитического сигнала по методу
добавок
Если градуировочная функция линейна, то у = S∙C,
где S = dy/dC — так называемый коэффициент чувствительности, который равен тангенсу угла наклона калибровочного графика в данной точке. Чем больше коэффициент чувствительности, тем выше чувствительность метода и тем точнее можно определять одно и
то же количество вещества. Поэтому при разработке
новых методов или методик стремятся его максимально увеличить. Для этого используют различные методы:
разделение
веществ,
концентрирование
определяемого
компонента, применение реагентов, повышение чувствительности аппаратуры.
Во всех рассмотренных методах обработки аналитического
сигнала
используются
образцы
сравнения
(эталоны, стандартные образцы). Главными требованиями к этим образцам являются соответствие состава
(химического, фазового и т.п.) исследуемому образцу и
точно известное содержание определяемого компонента.
Наиболее надежные результаты получаются, когда в качестве
образцов
сравнения
используются стандартные
образцы (СО) или государственные стандартные образ-
цы (ГСО) — специально приготовленные образцы, состав и
свойства которых достоверно установлены и официально
аттестованы
государственными
метрологическими
учреждениями.
Возможно, также использование в качестве стандартных образцов пробы, в которых содержание определяемого компонента установлено независимо с использованием различных аналитических методов в разных лабораториях.
При проведении анализа обычно не ограничиваются
проведением единичного определения, а проводят несколько (3—5) параллельных определений для одной и той же
пробы в одинаковых условиях, средний результат для которых и называется результатом анализа.
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА
К оптическим методам анализа относят методы,
основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к
изменению энергии молекул, атомов, ионов и электронов
в веществе и может проявляться в виде излучения, поглощения, отражения, преломления и рассеяния электромагнитного излучения.
Электромагнитное излучение описывается системой взаимосвязанных параметров: длиной волны, частотой, волновым числом.
Длина волны λ — расстояние, проходимое волной за
время одного полного колебания. Обычно для измерения
длины волны используются кратные метру и подходящие для данного диапазона спектра электромагнитного
излучения единицы: нанометр для ультрафиолетового
(УФ) и видимого диапазона (1 нм = 1 ∙ 10-9 м) и микрометр (микрон) для инфракрасного (ИК) диапазона (1
мкм = 1 ∙ 10-6 м = 103 нм). Часто применяется, хотя и
не рекомендуется к применению, внесистемная единица
ангстрем (1 Å = 1∙10-10 м = 0,1 нм).
Частота ν — число колебаний в единицу времени,
измеряется в герцах (1 Гц = 1 /с) или, чаще, кратных
ему единицах: мегагерцах (1 МГц = 1 ∙ 106 Гц), гигагерцах (1 ГГц = 1 ∙ 109 Гц) и терагерцах (1 ТГц = 1 ∙
1012 Гц). Частота связана с длиной волны электромагнитного излучения соотношением
где с — скорость света в данной среде (для вакуума с =
2,9979 • 108 м/с).
Волновое число ν — число длин волн, укладывающихся в единицу длины:
Волновое число чаще всего измеряют в обратных
сантиметрах, см-1. Если при этом длина волны выражается в нанометрах, волновое число рассчитывается
по следующей формуле
Важнейшей характеристикой излучения, необходимой для корректного описания процесса взаимодействия
излучения с веществом, является его спектр. Спектр
излучения представляет собой зависимость интенсивно-
сти излучения от энергии фотонов или параметров,
определяющих эту энергию, — длины волны, частоты,
волнового числа. Сравнивая спектр падающего на вещество со спектром прошедшего через вещество (отраженного от вещества, рассеянного веществом) излучения,
можно определить спектр пропускания (поглощения,
отражения,
рассеивания)
вещества.
Таким
образом,
спектр вещества — это зависимость какого-либо оптического параметра данного вещества (коэффициента поглощения, пропускания, отражения, рассеивания, преломления) от энергии фотона (длины волны, частоты,
волнового числа излучения). Спектры могут быть непрерывными или дискретными. Спектр часто выражают в
виде графика, по оси абсцисс которого отложена одна из
величин, характеризующих энергию фотона, а по оси
ординат — интенсивность излучения (процессы эмиссии
или люминесценции) или соответствующие оптические
параметры вещества.
Оптические методы основаны на идентификации
спектров веществ, а также на измерении интенсивности
поглощаемого, излучаемого, отраженного или рассеянного света.
Оптические
методы
подразделяются
на
методы
атомной и молекулярной спектроскопии. Это деление
имеет принципиальный характер, поскольку в случае
атомной спектроскопии спектр представляет собой совокупность
отдельных
узких
линий
(линейчатый
спектр), а в молекулярной спектроскопии имеют дело с
широкими
слабо
структурированными
спектрами
(плосчатый спектр). Это различие в характере спектров
в конечном итоге определяет возможность их применения в химическом анализе и требования к измерительной аппаратуре.
В качественном анализе используется тот факт,
что любое вещество характеризуется своим, только ему
присущим, набором спектральных линий (полос), причем расположение этих линий (полос) в спектре определяется только природой вещества и не зависит от его
содержания. Таким образом, качественный анализ проводят по положению линий в спектре. Очевидно, что
широкие линии могут перекрываться, что затрудняет
или делает невозможным идентификацию отдельных
компонентов.
Поэтому
спектральный
качественный
анализ чаще применяется в атомной спектроскопии и
реже — в молекулярной.
Для количественного анализа используется зависимость амплитуды спектральной линии от содержания
определяемого компонента. В этом случае наложение
спектральных линий также может приводить к искажению аналитического сигнала. Таким образом, в оптических методах присутствие посторонних веществ в
исследуемом объекте может иногда являться источником систематических ошибок.
Весь спектр электромагнитного излучения традиционно делят на несколько областей в зависимости от
длины волны. В оптических методах для химического
анализа чаще всего используют три области спектра:
ультрафиолетовую (УФ) (для анализа обычно используется диапазон 200— 400 нм), видимую (400—750 нм) и
инфракрасную (ИК) (более 750 нм) и, соответственно,
различают следующие варианты спектральных методов:
• УФ-спектроскопия;
• колориметрия (от англ. color — цвет) — используется видимая часть спектра;
• ИК-спектроскопия.
Кроме того, оптические методы анализа классифицируются по характеру взаимодействия света с веществом. Эта классификация приведена в табл. 1.
Таблица 1
Классификация оптических методов
химического анализа
Эффект взаимодействия света с
Метод анализа
веществом
Излучение света
Атомно-эмиссионный спектральный анализ
(эмиссионная фотометрия пламени).
Люминесцентный анализ
Поглощение света
Атомно-абсорбционный анализ.
Спектрофотометрия в УФ и видимой области спектра. Фотоэлектроколориметрия.
ИК-спектроскопия
Отражение света
Спектроскопия диффузного отражения.
Метод нарушенного полного отражения.
Метод плазмонного резонанса
Преломление света
Рефрактометрия
Рассеяние света
Нефелометрия.
Турбидиметрия
Вращение плоскости поляризации
Поляриметрический метод анализа
Приборы, используемые в оптических методах анализа, обычно включают в себя следующие основные узлы:
источник излучения, монохроматор — устройство,
обеспечивающее выделение излучения строго определенной
длины волны (монохроматического излучения) из внешнего, полихроматического излучения, детектор и вспо-
могательные элементы оптической системы (зеркала,
линзы, кюветы для исследуемых образцов и т.п.). В зависимости от того, для работы в какой области спектра
предназначен прибор и какими характеристиками он
должен обладать, выбираются соответствующие источники и детекторы излучения, тип монохроматора
(призма,
дифракционная
решетка,
светофильтры)
и
конструкционные материалы.
Основными характеристиками оптических приборов являются дисперсия, спектральная полоса пропускания, разрешающая сила и светосила.
Дисперсия представляет собой одну из важнейших
характеристик монохроматора и определяет его способность разлагать в спектр падающее на него излучение.
Угловая дисперсия задается величиной dQ/dλ (рад/нм),
где dQ — угол расхождения двух световых пучков, различающихся по длине волны на dλ. Линейная дисперсия
определяется как расстояние dx в фокальной плоскости
монохроматора между двумя спектральными линиями,
отличающимися
по
длинам
волн
на dλ или dx/dλ. Угловая и линейная дисперсии связаны
между собой через фокусное расстояние монохроматора
ƒ соотношением
Характеризуя свойства монохроматоров, чаще используют понятие обратной линейной дисперсии —
dλ/dx. В УФ и видимой области спектра обратную дисперсию обычно выражают в ангстремах на миллиметр.
Типичный интервал значений обратной линейной дисперсии для монохроматоров составляет 6—100 Å/мм.
Спектральная полоса пропускания определяет интервал длин волн излучения, выходящего из выходной
щели монохроматора, т.е. характеризует спектральную чистоту излучения на выходе монохроматора.
Интервал длин волн вычисляется по формуле
где ω — ширина выходной щели монохроматора, мм.
Разрешение и разрешающая сила характеризуют
способность оптической системы различать две соседние
спектральные линии. Разрешение определяется минимальным расстоянием (в длинах волн) между двумя со-
седними линиями, которые ясно различаются, т.е. когда две спектральные линии касаются друг друга, но не
накладываются. Разрешающая сила R — это отношение
среднего значения длин волн к расстоянию между ними
при условии, что они еще не накладываются друг на друга:
Все оптические приборы можно разделить на три
класса: сложные универсальные приборы для научных исследований (R
= 500÷1000)
= 103÷104),
и
приборы
приборы
для
среднего
несложных
класса (R
измерений
(R= 100÷500). В приборах первого класса обычно предусмотрена автоматическая смена источников излучения, дифракционных решеток, светофильтров и детекторов, что позволяет охватить широкий спектральный
диапазон.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В этой работе мы изучили, что такое физикохимический анализ, рассмотрели
классификацию ме-
тодов физико-химического анализа. Изучили характеристику оптических методов анализа. С помощью этой
работы я более углубленно изучила физико-химический
анализ на примере оптических методов анализа.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Кристиан, Г. Аналитическая химия: в 2 томах/ Г. Кристиан;пер. с англ. –
М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009.
2.
Отто, М. Современные методы аналитической химии /М. Отто. –М.:
Техносфера, 2008. –544 с.
3.
Васильев, В.П. Аналитическая химия: в 2 кн.,кн. 1: Титриметрическиеи
гравиметрический методы анализа/ В.П. Васильев. –М.: Дрофа, 2005. –366 с.
4.
Васильев, В.П. Аналитическая химия: в 2 кн.,кн. 2: Физико-химические
методы анализа/ В.П. Васильев. –М.: Дрофа, 2005. –383 с.
5.
Основы аналитической химии / Под ред. Ю.А. Золотова. –М.: Высшая
школа, 2000. –460 с.
6.
Основы аналитической химии: В 2 кн. / Под ред. Ю. А. Золотова. М.,
2004; Золотов Ю. А., Вершинин В. И. История и методология аналитической
химии. 2-е изд. М., 2008.
7.
Никитина, Н. Г. Аналитическая химия и физико-химические методы
анализа: учебник и практикум для вузов / Н. Г. Никитина, А. Г. Борисов,
Т. И. Хаханина; под редакцией Н. Г. Никитиной. — 4-е изд., перераб. и
доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2020. — 394 с. — (Высшее образование).