Стадии аналитического процесса

Решение аналитической задачи осуществляется путем выполнения анализа вещества. Определение химического состава (изотопного, элементного, молекулярного, фазового) анализируемого объекта является задачей качественного анализа.

Качественный анализ включает идентификацию (распознавание) химического соединения и обнаружение тех или иных компонентов (атомов, ионов, молекул). Классические методы качественного анализа были разработаны в период между XVII и XIX столетиями, т. е. именно тогда, когда человек ближе познакомился с окружающим миром.

Для того чтобы получить представление о том, какие элементы встречаются в природе, необходимо было научиться растворять твердые вещества, а затем следить за теми изменениями, которые происходят в растворах после добавления туда того или иного реактива. Иногда такие наблюдения велись визуально, но приходилось использовать и подходящие приборы. Если данный реактив чувствителен к компоненту, присутствующему в растворе, в последнем происходят характерные изменения.

Вот лишь один пример. Очень давно известно, что нечестные торговцы подмешивали в сметану муку, чтобы увеличить свою прибыль; для борьбы с такими мошенниками по рынку ходили контролеры, у которых под рукой был раствор йода. Одной капли было достаточно, чтобы разоблачить любителей «подгустить» вкусный продукт: при добавлении йода в испорченный мукой товар тотчас появлялась синяя окраска. Характерный синий цвет появляется в результате взаимодействия йода с крахмалом, содержащимся в муке. При необходимости реагент и объект поиска можно поменять местами и использовать крахмал для обнаружения йода. В отсутствие крахмала добавление йода не вызывает посинение. Йодокрахмальная реакция специфична как на йод, так и на крахмал. В то же время она очень чувствительна, потому что раствор йода меняет окраску в присутствии очень малых количеств крахмала.

Добавление серной кислоты в прозрачный раствор, содержащий ионы кальция, также приводит к заметному изменению - образуется нерастворимый сульфат кальция. Серная кислота, таким образом, является реагентом на кальций. Однако данная реакция неспецифична, ведь с барием, например, серная кислота реагирует точно так же. К тому же, реакция эта не очень чувствительна, поскольку осадок образуется только тогда, когда содержание кальция в растворе довольно велико.

Количественный анализ решает задачу определения содержания (количества или концентрации) того или иного компонента в анализируемом объекте. Теоретические основы качественного и количественного анализа едины. Упомянув об испытании огнем, мы тем самым привели первый пример методики количественного анализа, а точнее той его разновидности, которая основана на определении массы путем взвешивания. Принцип гравиметрического (весового) анализа очень прост: сначала образец неизвестного состава взвешивают (берут навеску), затем подвергают его какому-либо превращению (в данном случае очистке при нагревании) и после этого вновь определяют вес (массу) полученного вещества. Затем по разности результатов двух взвешиваний рассчитывают содержание веществ, например золота.

Количественный анализ растворов научились проводить значительно позже, лишь в XVIII в. Первые шаги в этом направлений сделали не ученые, а производственники на заводах и фабриках. В те годы начала бурно развиваться промышленность и необходимо было срочно наладить контроль за качеством продукции. Вот, например, как была решена одна из таких задач.

Речь пойдет о методе определения содержания уксусной кислоты в ее водном растворе - уксусной эссенции. При взаимодействии с карбонатом натрия уксусная кислота превращается в ацетат натрия и угольную кислоту, которая в свою очередь быстро разлагается на воду и диоксид углерода, бурно с шипением выделяющийся из раствора. После того как уксусная кислота полностью прореагирует, раствор становится нейтральным. Если в такой раствор еще добавить соды, то вспенивания уже не происходит и раствор становится щелочным (избыток соды). Происходящие реакции можно описать следующими химическими уравнениями:

Nа₂СO₃ + 2СН₃СООН ↔ 2NаСООСН₃ + Н₂СO₃,

Н₂СO₃ → Н₂O + СO₂|

Что можно было бы предложить в XVIII в. заводскому «ОТК» для контроля этой реакции нейтрализации? Прежде всего отобрать пробу (определенный объем заводского продукта - уксуса - с неизвестной концентрацией уксусной кислоты); пробу поместить в какую-то емкость. Затем взять точное количество (навеску) чистой соды и постепенно добавлять ее в сосуд с уксусом до прекращения выделения пузырьков газа. Конечно, наиболее надежные результаты можно получить, если нейтрализацию провести в присутствии соответствующего вещества, которое «подает» сигнал об изменении кислотности среды. Такое вещество называется индикатором; для данной реакции лучшим индикатором является лакмус. В кислой среде лакмусовая бумажка (бумажка, пропитанная раствором лакмуса и высушенная) окрасится в красный, а в щелочной среде - в синий цвет. Нанесем на лакмусовую бумажку маленькую каплю раствора. Если бумажка не станет ни красной, ни синей, а окрасится в какой-либо «промежуточный» цвет, реакция нейтрализации прошла до конца и из такого нейтрального раствора пузырьки газа при добавлении соды не выделяются. После этого остается только узнать количество неизрасходованной соды (от взятой вначале навески) и найти, сколько соды прореагировало с кислотой. Метод, когда реагент небольшими порциями добавляют к исследуемому веществу, получил название титрования.

Анализ – это выполнение всей последовательности аналитических операций, включая пробоотбор и пробоподготовку, с целью получения результата, отражающего содержание компонентов в исследуемом объекте. Анализ складывается из нескольких стадий.

Отбор пробы.
Различают несколько видов проб:

· первичную (или среднюю) пробу отбирают на первом этапе от большой массы материала;

· лабораторную пробу получают после уменьшения средней пробы до массы, необходимой для проведения всего анализа;

· аналитическую пробу отбирают от лабораторной для проведения единичного определения.

Отбор средней пробы является одной из важнейших стадий аналитического процесса. Результат анализа может быть правильным только в том случае, если средняя проба точно отражает состав материала, из которого она была отобрана. Техника отбора средней пробы, в зависимости от агрегатного состояния материала и других его свойств, различна и приводится в специальных инструкциях. Среднюю пробу сокращают различными способами (например, квартованием) до получения необходимой массы лабораторной пробы. Для проведения отдельных анализов из нее отбирают аналитические пробы, которые взвешивают на аналитических или технических весах и подвергают дальнейшей аналитической обработке.

Подготовка пробы к анализу.
Как правило, главная операция этой стадии – растворение. Оно может осуществляться обработкой твердого вещества подходящим растворителем (вода, кислота, основание, органические растворители) или сплавлением с соответствующим плавнем и последующим переводом плава в раствор. Устранение мешающего влияния посторонних веществ, которые могут находиться в анализируемой пробе наряду с определяемым компонентом, достигается различными приемами:

маскированием, т. е. переведением мешающих компонентов в такую форму, в которой они не искажают аналитический сигнал определяемого компонента и не налагаются на него;

отделением определяемого компонента или мешающих веществ различными методами разделения (экстракции, осаждения, соосаждения и т. д.)

Стадия измерения.
Аналитические сигналы, полученные в результате анализа (изменение окраски раствора, появление осадка, поглощение светового излучения и т. д.) регистрируют тем или иным способом. При этом получают данные в виде набора чисел, спектрограмм, фотографий и т. п., по которым рассчитывают количество каждого компонента в образце.

Оценка результатов измерения.
Это заключительная стадия аналитического процесса. После вычисления результатов анализа важно оценить их достоверность, учитывая правильность использованного метода и статистически обрабатывая числовые данные.

Методы химического анализа в связи с этим характеризуют правильностью и воспроизводимостью. Если при параллельных опытах получают близкие значения количеств или концентраций определяемого вещества, то такие результаты называют воспроизводимыми. Если полученные значения близки к истинному, то говорят о правильности результатов анализа. Результаты могут быть правильными и воспроизводимыми; воспроизводимыми, но неправильными (в присутствии систематических ошибок); невоспроизводимыми и неправильными.

Все усилия химиков-аналитиков направлены на разработку методов анализа, обеспечивающих правильные и воспроизводимые результаты.