Analytisk kemi är en vetenskap som utvecklar de teoretiska grunderna för den kemiska analysen av ämnen och material och utvecklar metoder för identifiering, detektering, separation och bestämning av kemiska grundämnen och deras föreningar, samt metoder för att fastställa ämnens kemiska sammansättning. Att genomföra kemisk analys består idag i att få information om ett ämnes sammansättning och natur.
Beroende på uppgifterna delas analytisk kemi in i kvalitativ analys , som syftar till att bestämma vad (eller vilka ämnen), i vilken form som finns i provet, och kvantitativ analys , som syftar till att bestämma hur mycket av ett givet ämne (element, joner , molekylär former, etc.) .) finns i mönstret [1] . [2] .
Uppgifterna för kvalitativ analys inkluderar:
Uppgifterna för kvantitativ analys är att bestämma innehållet eller koncentrationen av komponenter i ett prov.
Dess ämne som vetenskap är förbättringen av befintliga och utvecklingen av nya analysmetoder, sökandet efter möjligheter för deras praktiska tillämpning och studiet av de teoretiska grunderna för analytiska metoder.
Uppdelningen av kemisk analys i kvalitativ analys och kvantitativ analys är till viss del villkorad. Om komponenten inte finns i provet, är dess innehåll under en viss gräns, begränsad av den använda metoden. När sammansättningen av det analyserade provet är okänd görs först en kvalitativ analys och först därefter påbörjas kvantitativa mätningar. Kvalitativ och kvantitativ analys utförs med kemiska, instrumentella (fysikalisk och fysikalisk-kemiska) och biologiska metoder [2] .
Att bestämma elementarsammansättningen av materiella objekt kallas elementaranalys . Att fastställa strukturen av kemiska föreningar och deras blandningar på molekylär nivå kallas molekylär analys . En av typerna av molekylär analys av kemiska föreningar är strukturanalys , som syftar till att studera ämnens rumsliga atomära struktur, fastställa empiriska formler, molekylvikter etc. (se röntgendiffraktionsanalys ). Uppgifterna för analytisk kemi inkluderar bestämning av egenskaperna hos organiska, oorganiska och biokemiska föremål. Analysen av organiska föreningar efter funktionella grupper kallas funktionell analys .
Analytisk kemi har funnits sedan det fanns kemi i dess moderna bemärkelse, och många av de tekniker som används i den går tillbaka till en ännu tidigare era, alkemins era, vars en av huvuduppgifterna var just att bestämma sammansättningen av olika naturliga ämnen och studiet av processerna för deras ömsesidiga omvandlingar. Men med utvecklingen av kemin som helhet förbättrades också de däri använda arbetsmetoderna avsevärt, och tillsammans med dess rent hjälpbetydelse av en av kemins hjälpavdelningar har den analytiska kemin för närvarande betydelsen av en helt fristående avdelning för kemisk kunskap med mycket seriösa och viktiga teoretiska uppgifter. Ett mycket viktigt inflytande på utvecklingen av analytisk kemi var modern fysikalisk kemi , som berikade den med ett antal helt nya arbetsmetoder och teoretiska grunder, som inkluderar läran om lösningar , teorin om elektrolytisk dissociation , lagen om massaktion ( se Kemisk jämvikt ) och hela läran om kemisk affinitet [1] .
Uppsättningen av traditionella metoder för att bestämma sammansättningen av ett ämne genom dess sekventiella kemiska nedbrytning kallas " våt kemi " ("våt analys"). Dessa metoder har relativt låg noggrannhet, kräver relativt låga kvalifikationer av analytiker och har nu nästan helt ersatts av moderna instrumentella metoder (optiska, masspektrometriska, elektrokemiska, kromatografiska och andra fysikaliskkemiska metoder) för att bestämma sammansättningen av ett ämne. Våtkemi har dock sin fördel gentemot spektrometriska metoder - den tillåter, genom standardiserade procedurer (systematisk analys), att direkt bestämma sammansättningen och olika oxidationstillstånd av element som järn (Fe + 2 , Fe + 3 ), titan , etc.
Analytiska metoder kan delas in i brutto och lokal. Grov analysmetoder kräver vanligtvis ett separerat, pulveriserat ämne ( representativt prov ). Lokala metoder bestämmer ämnets sammansättning i själva provet, vilket gör det möjligt att upprätta "kartor" över fördelningen av provets kemiska egenskaper över dess yta och/eller djup. Direkta analysmetoder bör också lyftas fram , det vill säga inte associerade med preliminär provberedning. Provberedning är ofta nödvändigt (t.ex. malning, förkoncentration eller separation). Vid framställning av prover, tolkning av resultaten, uppskattning av antalet analyser används statistiska metoder [1] [2] .
För att bestämma den kvalitativa sammansättningen av ett ämne är det nödvändigt att studera dess egenskaper, som ur analytisk kemisynpunkt kan vara av två slag: ämnets egenskaper som sådant och dess egenskaper vid kemiska omvandlingar.
De förra inkluderar: det fysiska tillståndet (fast, flytande, gas), dess struktur i fast tillstånd ( amorft eller kristallint ämne), färg, lukt, smak, etc. mänskliga känslor, är det möjligt att fastställa arten av detta ämne. I de flesta fall är det dock nödvändigt att omvandla ett givet ämne till något nytt med tydligt uttryckta karakteristiska egenskaper, genom att för detta ändamål använda några speciellt utvalda föreningar som kallas reagens .
Reaktionerna som används inom analytisk kemi är extremt olika och beror på de fysikaliska egenskaperna och graden av komplexitet hos sammansättningen av ämnet som studeras. I det fall då en uppenbart ren, homogen kemisk förening är föremål för kemisk analys, utförs arbetet relativt enkelt och snabbt; när man har att göra med en blandning av flera kemiska föreningar, blir frågan om dess analys mer komplicerad, och vid framställningen av arbete måste man hålla sig till ett visst bestämt system för att inte förbise ett enda element som kommer in i ämnet. Det finns två typer av reaktioner inom analytisk kemi: reaktioner på det våta sättet (i lösningar) och reaktioner på det torra sättet [1] [2] .
I kvalitativ kemisk analys används endast sådana reaktioner i lösningar som lätt kan uppfattas av de mänskliga sinnena, och ögonblicket för reaktionens förekomst känns igen av ett av följande fenomen:
Utfällning i kemiska analysreaktioner beror på bildandet av något vattenolösligt ämne; om till exempel svavelsyra eller dess vattenlösliga salt tillsätts till en lösning av ett bariumsalt , bildas en vit pulverformig fällning av bariumsulfat :
BaCl 2 + H 2 SO 4 \u003d 2HCl + BaSO 4 ↓Tänk på att vissa andra metaller, till exempel bly , som kan bilda ett olösligt sulfatsalt PbSO 4 , kan ge en liknande reaktion av bildandet av en vit fällning under inverkan av svavelsyra , för att vara helt säker på att det är detta eller den metallen, är det nödvändigt att producera fler verifieringsreaktioner , genom att utsätta fällningen som bildas i reaktionen för en lämplig studie.
För att framgångsrikt kunna utföra reaktionen med fällningsbildning, är det förutom valet av lämpligt reagens också nödvändigt att observera ett antal mycket viktiga förhållanden när det gäller koncentrationen av lösningar av det studerade saltet och reagenset, andelen av båda , temperatur, växelverkans varaktighet etc. När man överväger fällning som bildas vid kemisk reaktionsanalys är det nödvändigt att vara uppmärksam på deras utseende, det vill säga färgen, strukturen (amorfa eller kristallina fällningar) etc., samt till deras egenskaper i förhållande till effekten av uppvärmning, syror eller alkalier etc. När svaga lösningar interagerar ibland är det nödvändigt att vänta på bildandet av en fällning upp till 24-48 timmar, förutsatt att de hålls vid en viss bestämd temperatur.
Reaktionen av fällningsbildning, oavsett dess kvalitativa betydelse i kemisk analys, används ofta för att separera vissa element från varandra. För detta ändamål behandlas en lösning som innehåller föreningar av två eller flera grundämnen med ett lämpligt reagens som kan omvandla en del av dem till olösliga föreningar, och sedan separeras den bildade fällningen från lösningen (filtratet) genom filtrering, varvid man undersöker dem ytterligare separat. Om vi till exempel tar salter av kaliumklorid och bariumklorid och tillsätter svavelsyra till dem, bildas en olöslig fällning av bariumsulfat BaSO 4 och kaliumsulfat K 2 SO 4 lösligt i vatten , som kan separeras genom filtrering . Vid denna separering av fällningen av ett vattenolösligt ämne från lösningen måste man först se till att den får en lämplig struktur som gör att filtreringsarbetet kan utföras utan svårighet, och sedan, efter att ha samlats upp det på filter, är det nödvändigt att noggrant tvätta det från främmande föroreningar. Enligt W. Ostwalds forskning måste man komma ihåg att när man använder en viss mängd vatten för tvätt är det mer ändamålsenligt att tvätta sedimentet många gånger med små portioner vatten än vice versa - flera gånger med stora portioner . När det gäller framgången för reaktionen att separera ett element i form av en olöslig fällning, så fann W. Ostwald, baserat på teorin om lösningar, att för en tillräckligt fullständig separation av ett element i form av en olöslig fällning, är alltid nödvändigt att ta ett överskott av det reagens som används för utfällning.
En förändring i färgen på en lösning är en av de mycket viktiga egenskaperna i kemiska analysreaktioner och är mycket viktig, särskilt i samband med processerna för oxidation och reduktion, såväl som i arbete med kemiska indikatorer (se nedan - alkalimetri och acidimetri ).
Exempel på färgreaktioner i kvalitativ kemisk analys är följande: kaliumtiocyanat KSCN ger en karakteristisk blodröd färg med järnoxidsalter; med järnoxidsalter ger inte samma reagens färg. Om något oxidationsmedel, till exempel klorvatten , tillsätts till en lösning av järnklorid FeCl 2 , med en något grön färg , blir lösningen gul på grund av bildningen av järnklorid , som innehåller det högsta oxidationstillståndet av denna metall. Om du tar orange kaliumdikromat K 2 Cr 2 O 7 och tillsätter lite svavelsyra och något reduktionsmedel, till exempel vinalkohol , till det i en lösning, ändras den orange färgen till mörkgrön, vilket motsvarar bildandet av den lägsta oxidationstillstånd för krom i form av ett salt kromsulfat Cr 2 (SO 4 ) 3 .
Beroende på förloppet av kemisk analys är det ofta nödvändigt att utföra liknande processer för oxidation och reduktion i den . De viktigaste oxidationsmedlen är: halogener , salpetersyra , väteperoxid , kaliumpermanganat , kaliumdikromat ; de viktigaste reduktionsmedlen är: väte vid tidpunkten för isolering, vätesulfid , svavelsyra , tennklorid , vätejodid .
Reaktionerna av gasutveckling i lösningar när man utför en kvalitativ kemisk analys har oftast inte oberoende betydelse och är hjälpreaktioner; oftast måste man möta utsläpp av koldioxid CO 2 - under inverkan av syror på kolsalter, vätesulfid - vid nedbrytning av sulfidmetaller med syror, etc. [1] [2] .
Dessa reaktioner används i kemisk analys, främst i den sk. "preliminärt test", vid testning av fällningar för renhet, för verifieringsreaktioner och vid studier av mineraler. De viktigaste reaktionerna av detta slag består i att testa ett ämne i förhållande till:
För produktion av dessa tester används i de flesta fall en icke-lysande låga från en gasbrännare. Huvudkomponenterna i tändgas (väte, kolmonoxid, sumpgas och andra kolväten) är reduktionsmedel, men när den brinner i luft (se Förbränning ) bildas en låga, i olika delar av vilken du kan hitta de nödvändiga förhållandena för reduktion eller oxidation, och lika med upphettning till en mer eller mindre hög temperatur.
Smältbarhetstestet utförs huvudsakligen i studien av mineraler, för vilka ett mycket litet fragment av dem, fixerat i en tunn platinatråd, införs i den del av lågan som har den högsta temperaturen, och sedan med hjälp av ett förstoringsglas, de observerar hur avrundade kanterna på provet är.
Flamfärgtestet utförs genom att ett litet prov av ämnet introduceras på en platinatråd, först i lågans botten och sedan i den del som har högst temperatur.
Flyktighetstestet utförs genom att ett prov av ett ämne värms upp i en analyscylinder eller i ett glasrör som är förseglat i ena änden, och de flyktiga ämnena förvandlas till ångor som sedan kondenserar i den kallare delen.
Torr oxidation och reduktion kan utföras i bollar av smält borax ( Na 2 B 4 O 7 + 10 H 2 O ), den restaurerande delen av lågan. Återvinning kan ske på en rad andra sätt, nämligen: uppvärmning på en pinne förkolnad med soda, uppvärmning i glasrör med metaller - natrium , kalium eller magnesium , uppvärmning i träkol med hjälp av blåsrör, enkel uppvärmning [1] [2] .
Klassificeringen av grundämnen som används inom analytisk kemi är baserad på samma uppdelning av grundämnen som är accepterad i allmän kemi - i metaller och icke-metaller (metalloider), varvid de senare oftast betraktas i form av motsvarande syror. För att producera en systematisk kvalitativ analys delas var och en av dessa klasser av element in i sin tur i grupper med några gemensamma gruppdrag.
Metaller i analytisk kemi är indelade i två avdelningar, som i sin tur är indelade i fem grupper:
Aluminium och krom bildar inte svavelföreningar i vatten; de återstående metallerna bildar svavelföreningar, som liksom sina oxider är lösliga i svaga syror. Från en sur lösning fäller inte svavelväte ut dem, ammoniumsulfid fäller ut oxider eller svavelföreningar. Ammoniumsulfid är ett vanligt reagens för denna grupp, och ett överskott av dess svavelföreningar löses inte upp. 4:e gruppen : silver , kvicksilver , bly , vismut , koppar , palladium , rodium , rutenium , osmium . Svavelföreningar är olösliga i svaga syror och fälls ut av svavelväte i en sur lösning; de är också olösliga i ammoniumsulfid. Svavelväte är ett vanligt reagens för denna grupp. 5:e gruppen: tenn , arsenik , antimon , guld , platina . Svavelföreningar är också olösliga i svaga syror och fälls ut av svavelväte från en sur lösning. Men de är lösliga i ammoniumsulfid och bildar vattenlösliga sulfosalter med det.
Icke-metaller (metalloider) måste upptäckas i kemisk analys alltid i form av syror som bildas av dem eller deras motsvarande salter. Grunden för att dela in syror i grupper är egenskaperna hos deras barium- och silversalter i förhållande till deras löslighet i vatten och delvis i syror. Bariumklorid är ett vanligt reagens för den 1:a gruppen, silvernitrat i en nitratlösning - för den andra gruppen är barium- och silversalter av den 3:e gruppen syror lösliga i vatten. 1: a gruppen : i en neutral lösning fäller bariumklorid ut olösliga salter; silversalter är olösliga i vatten, men lösliga i salpetersyra. Dessa inkluderar syror: krom , tiosvavelsyra , svavelhaltig , vattenhaltig , kolsyra , kiselsyra , svavelsyra , fluorkiselsyra (bariumsalter olösliga i syror), arsenik och arsenik . 2: a gruppen : i en lösning surgjord med salpetersyra fälls silvernitrat ut. Dessa inkluderar syror: saltsyra , bromväte och jodväte , cyansyra , svavelväte , järn- och järncyanid och jod . 3: e gruppen : salpetersyra och klorsyra, som inte utfälls av vare sig silvernitrat eller bariumklorid.
Man måste dock komma ihåg att de reagens som anges för syror inte är generella reagens som skulle kunna användas för att separera syror i grupper. Dessa reagenser kan bara ge en indikation på närvaron av en sur eller annan grupp, och för att upptäcka varje enskild syra måste man använda deras speciella reaktioner. Ovanstående klassificering av metaller och icke-metaller (metalloider) för analytisk kemi antogs i den ryska skolan och laboratorierna (enligt N. A. Menshutkin ), i västeuropeiska laboratorier antogs en annan klassificering, dock i huvudsak baserad på samma principer [1] [2] .
De teoretiska grunderna för reaktionerna av kvalitativ kemisk analys i lösningar bör, som redan nämnts ovan, sökas i avdelningarna för allmän och fysikalisk kemi om lösningar och kemisk affinitet. En av de första, viktigaste frågorna är tillståndet för alla mineraler i vattenlösningar, där, enligt teorin om elektrolytisk dissociation , alla ämnen som hör till klasserna salter, syror och alkalier dissocierar till joner . Därför sker alla reaktioner av kemisk analys inte mellan hela molekyler av föreningar, utan mellan deras joner. Till exempel sker reaktionen av natriumklorid NaCl och silvernitrat AgNO 3 enligt ekvationen:
Na + + Cl - + Ag + + (NO 3 ) - = AgCl↓ + Na + + (NO 3 ) - natriumjon + kloridjon + silverjon + salpetersyraanjon = olösligt salt + natriumjon + salpetersyraanjonFöljaktligen är silvernitrat inte ett reagens för natriumklorid eller saltsyra, utan endast för klorjoner. För varje salt i lösning måste alltså dess katjon (metalljon) och anjon (syrarester) betraktas separat ur analytisk kemi. För en fri syra måste vätejoner och en anjon beaktas; slutligen, för varje alkali, en metallkatjon och en hydroxylanjon. Och i huvudsak är den viktigaste uppgiften för kvalitativ kemisk analys att studera reaktionerna hos olika joner och sätt att öppna dem och separera dem från varandra.
För att uppnå det senare målet, genom inverkan av lämpliga reagens, omvandlas joner till olösliga föreningar som fälls ut från lösning i form av utfällning, eller så separeras de från lösningar i form av gaser. I samma teori om elektrolytisk dissociation måste man leta efter förklaringar till verkan av kemiska indikatorer , som ofta finner tillämpning i kemisk analys. Enligt W. Ostwalds teori är alla kemiska indikatorer bland de relativt svaga syrorna, delvis dissocierade i vattenlösningar. Dessutom har några av dem färglösa hela molekyler och färgade anjoner, andra har tvärtom färgade molekyler och en färglös anjon eller en anjon av en annan färg; exponeras för påverkan av fria vätejoner av syror eller hydroxyljoner av alkali, kan kemiska indikatorer ändra graden av deras dissociation, och samtidigt deras färg. De viktigaste indikatorerna är:
Kemiska indikatorer har en mycket viktig tillämpning vid kemisk bulkanalys (se nedan). I reaktionerna av kvalitativ kemisk analys möter man ofta även fenomenet hydrolys , det vill säga nedbrytning av salter under inverkan av vatten, och vattenlösningen får en mer eller mindre stark alkalisk eller sur reaktion [1] [2] .
I en kvalitativ kemisk analys är det viktigt att inte bara bestämma vilka grundämnen eller föreningar som ingår i sammansättningen av ett givet ämne, utan också i vilka ungefärliga relativa mängder dessa beståndsdelar är. För detta ändamål är det alltid nödvändigt att utgå från bestämda mängder av analyten (det räcker vanligtvis att ta 0,5-1 gram) och, under analysens gång, att jämföra storleken på individuell utfällning med varandra. Det är också nödvändigt att använda lösningar av reagens av en viss styrka, nämligen: normal, halvnormal, en tiondel normal.
Varje kvalitativ kemisk analys är uppdelad i tre delar:
Med hänsyn till analytens natur kan fyra fall förekomma:
Vid analys av ett fast icke-metalliskt ämne utförs först och främst en extern undersökning och mikroskopisk undersökning, såväl som ett preliminärt test med ovanstående analysmetoder i torr form. Därefter löses provet av ämnet, beroende på dess natur, i något av följande lösningsmedel: vatten, saltsyra , salpetersyra och aqua regia (en blandning av saltsyra och salpetersyra). Ämnen som inte kan lösas upp i något av de angivna lösningsmedlen överförs till lösning med några speciella metoder, såsom: fusion med soda eller kaliumklorid , kokning med en sodalösning, uppvärmning med vissa syror, etc. Den resulterande lösningen utsätts för systematisk analys med preliminär isolering av metaller och syror efter grupper och vidare uppdelning av dem i separata element, med hjälp av deras egna speciella reaktioner.
Vid analys av en metallegering löses ett visst prov av den i salpetersyra (i sällsynta fall i aqua regia), och den resulterande lösningen indunstas till torrhet, varefter den fasta återstoden löses i vatten och utsätts för systematisk analys.
Om ämnet är en vätska ägnas först och främst uppmärksamhet åt dess färg, lukt och reaktion på lackmus (syra, alkalisk, neutral). För att säkerställa att det inte finns några fasta ämnen i lösningen, avdunstas en liten del av vätskan på en platinaplatta eller klockglas. Efter dessa preliminära tester analyseras vätskan med konventionella metoder.
Analysen av gaser utförs med några speciella metoder som anges i den kvantitativa analysen [1] [2] .
Kvantitativ kemisk analys syftar till att bestämma den relativa mängden individuella beståndsdelar i en kemisk förening eller blandning. Metoderna som används i den beror på ämnets egenskaper och sammansättning, och därför måste kvantitativ kemisk analys alltid föregås av kvalitativ kemisk analys.
För framställning av kvantitativ analys kan två olika metoder användas: gravimetrisk och volumetrisk. Med viktmetoden isoleras de kroppar som ska bestämmas i form av om möjligt olösliga eller svårlösliga föreningar med känd kemisk sammansättning och deras vikt bestäms, utifrån vilken det går att finna mängden av önskat element genom beräkning. Vid volymetrisk analys mäts volymerna av titrerade (innehållande en viss mängd reagens) lösningar som används för analys. Dessutom skiljer sig ett antal speciella metoder för kvantitativ kemisk analys, nämligen:
En helt speciell grupp representeras av medicinsk kemisk analys , som omfattar ett antal olika metoder för att undersöka blod, urin och andra avfallsprodukter från människokroppen [1] [2] .
Gravimetriska (vikt) kvantitativa kemiska analysmetoder är av två slag: direkt analysmetod och indirekt (indirekt) analysmetod . I det första fallet isoleras den komponent som ska bestämmas i form av någon olöslig förening, och massan av den senare bestäms. Indirekt analys bygger på att två eller flera ämnen som utsätts för samma kemiska behandling genomgår olika viktförändringar. Med till exempel en blandning av kaliumklorid och natriumnitrat kan man bestämma den första av dem genom direkt analys, utfällning av klor i form av silverklorid och vägning. Om det finns en blandning av kalium- och natriumkloridsalter är det möjligt att bestämma deras förhållande med en indirekt metod genom att fälla ut allt klor, i form av silverklorid, och bestämma dess vikt, följt av beräkning.
Titrimetrisk analys är en metod för kvantitativ analys baserad på att mäta volymen av en reagenslösning med exakt känd koncentration, som konsumeras för reaktionen med analyten.
Analys genom elektrolys baseras på en elektrisk ströms förmåga att sönderdela saltlösningar med frisättning av metaller på katoden när den passerar genom saltlösningar. Genom att välja lämplig potentialskillnad på elektroderna och strömstyrkan (beroende på storleken på elektrodytan), samt välja en lösning med lämplig sammansättning för varje metall, är det möjligt att isolera många metaller separat från en blandning av deras salter i lösning med stor noggrannhet och fullständighet. Elektroderna för detta arbete är oftast gjorda av platina [1] [2] .
Kolorimetri är en metod för att kvantitativt bestämma innehållet av ämnen i lösningar, antingen visuellt eller med hjälp av instrument som kolorimetrar. Kolorimetri kan användas för att kvantifiera alla de ämnen som ger färgade lösningar, eller så kan det, genom en kemisk reaktion, ge en färgad löslig förening. Kolorimetriska metoder bygger på att jämföra färgintensiteten hos testlösningen, studerad i genomsläppt ljus, med färgen på en standardlösning innehållande en strikt definierad mängd av samma färgade substans, eller med destillerat vatten.
Lokala analysmetoder:
Ämnesseparationsmetoder (fysikalisk-kemisk separation):