Физико-химические исследования как направление аналитической химии нашли широкое применение в каждой сфере жизнедеятельности человека. Они позволяют изучить свойства интересующего вещества, определяя количественную составляющую компонентов в составе образца.
Исследование веществ
Научное исследование является познанием объекта или явления с целью получения системы понятий и знаний. По принципу действия используемые методы классифицируют на:
- эмпирические;
- организационные;
- интерпретационные;
- методы качественного и количественного анализа.
Эмпирические методы исследования отражают изучаемый объект со стороны внешних проявлений и включают в себя наблюдение, измерение, эксперимент, сравнение. Эмпирическое изучение основано на достоверных фактах и не предполагает создание искусственных ситуаций для анализа.
Организационные методы – сравнительный, лонгитюдный, комплексный. Первый подразумевает под собой сравнение состояний объекта, полученных в разное время и при отличных друг от друга условиях. Лонгитюдный – наблюдение за объектом исследования на протяжении длительного промежутка времени. Комплексный представляет собой совокупность лонгитюдного и сравнительного методов.
Интерпретационные методы – генетический и структурный. Генетический вариант предполагает изучение развития объекта с момента его возникновения. Структурный метод изучает и описывает устройство объекта.
Методами качественного и количественного анализа занимается аналитическая химия. Химические исследования направлены на определение состава объекта исследования.
Методы количественного анализа
При помощи количественного анализа в аналитической химии определяется состав химических соединений. Почти все применяемые методы построены на исследовании зависимости химических и физических свойств вещества от его состава.
Количественный анализ бывает общим, полным и частичным. Общий определяет количество всех известных веществ в изучаемом объекте, независимо от того, присутствуют они в составе или нет. Полный анализ отличается нахождением количественного состава веществ, содержащихся в образце. Частичный вариант определяет содержание только компонентов, представляющих интерес в данном исследовании химических веществ.
В зависимости от способа анализа выделяют три группы методов: химические, физические и физико-химические. Все они основаны на изменении физических или химических свойств вещества.
Химические исследования
Данный метод направлен на определение веществ в различных количественно происходящих химических реакциях. Последние обладают внешними проявлениями (изменение цвета, выделение газа, тепла, осадка). Данный метод широко используется во многих отраслях жизнедеятельности современного общества. Лаборатория химических исследований обязательно присутствует в фармацевтической, нефтехимической, строительной промышленности и во многих других.
Можно выделить три вида химических исследований. Гравиметрия, или весовой анализ, основана на изменении количественных характеристик исследуемого вещества в образце. Этот вариант прост и дает точные результаты, но является трудоемким. При таком типе химических методов исследования требуемое вещество выделяется из общего состава в виде осадка или газа. Затем его приводят в твердую нерастворимую фазу, фильтруют, промывают, сушат. После проведения этих процедур компонент взвешивают.
Титриметрия является объемным анализом. Исследование химических веществ происходит путем измерения объема реагента, вступающего в реакцию с исследуемым веществом. Его концентрация известна заранее. Объем реагента измеряется при достижении точки эквивалентности. При газовом анализе определяют объем выделенного или поглощенного газа.
Кроме того, часто используется исследование химических моделей. То есть создается аналог изучаемого объекта, более удобный в изучении.
Физические исследования
В отличие от химического исследования, основанного на проведении соответствующих реакций, физические методы анализа базируются на одноименных свойствах веществ. Для их проведения требуются специальные приборы. Суть метода заключается в измерении изменений характеристик вещества, вызванных действием излучения. Основными способами проведения физического исследования являются рефрактометрия, поляриметрия, флуориметрия.
Рефрактометрия проводится с помощью рефрактометра. Суть метода сводится к изучению преломления света, проходящего из одной среды в другую. Изменение угла при этом зависит от свойств компонентов среды. Поэтому становится возможной идентификация состава среды и ее структуры.
Поляриметрия является оптическим методом исследования, который использует способность некоторых веществ вращать плоскость колебания линейно поляризованного света.
Для флуориметрии используют лазеры и ртутные лампы, которые создают монохроматическое излучение. Некоторые вещества способны флуорисцентировать (поглощать и отдавать поглощенное излучение). На основе интенсивности флуоресценции делается вывод о количественном определении вещества.
Физико-химические исследования
Физико-химические методы исследования регистрируют изменение физических свойств вещества под действием различных химических реакций. Они основаны на прямой зависимости физических характеристик исследуемого объекта от его химического состава. Данные методы требуют применения некоторых измерительных приборов. Как правило, наблюдение ведется за теплопроводностью, электропроводностью, светопоглощением, температурой кипения и плавления.
Физико-химические исследования вещества получили широкое распространение благодаря высокой точности и скорости получения результатов. В современном мире в связи с развитием IT-технологий химические методы стали сложно применимы. Физико-химические методы используют в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, криминалистике.
Одним из основных отличий физико-химических методов от химических является то, что окончание реакции (точку эквивалентности) находят с помощью измерительных приборов, а не визуально.
Основными методами физико-химического исследования принято считать спектральные, электрохимические, термические и хроматографические методы.
Спектральные методы анализа веществ
В основе спектральных методов анализа лежит взаимодействие объекта с электромагнитным излучением. Исследуется поглощение, отражение, рассеивание последнего. Другое название метода – оптический. Он представляет собой совокупность качественного и количественного исследования. Спектральный анализ позволяет оценить химический состав, структуру компонентов, магнитное поле и другие характеристики вещества.
Суть метода заключается в определении резонансных частот, на которых вещество реагирует на свет. Они строго индивидуальны для каждого компонента. С помощью спектроскопа можно увидеть линии на спектре и определить составляющие вещества. Интенсивность спектральных линий дает представление о количественной характеристике. В основе классификации спектральных методов лежат тип спектра и цели исследования.
Эмиссионный метод позволяет изучить спектры испускания и дает информацию о составе вещества. Для получения данных его подвергают разряду электрической дуги. Разновидностью этого метода является фотометрия пламени. Спектры поглощения исследуются абсорбционным способом. Вышеперечисленные варианты относятся к качественному анализу вещества.
Количественный спектральный анализ сравнивает интенсивность спектральной линии исследуемого объекта и вещества известной концентрации. К таким методам следует отнести атомно-абсорбционный, атомно-флуоресцентный и люминесцентный анализы, турбидиметрию, нефелометрию.
Основы электрохимического анализа веществ
Электрохимический анализ использует электролиз для исследования вещества. Реакции проводятся в водном растворе на электродах. Измерению подлежит одна из имеющихся характеристик. Исследование проводится в электрохимической ячейке. Это сосуд, в который помещены электролиты (вещества с ионной проводимостью), электроды (вещества с электронной проводимостью). Электроды и электролиты взаимодействуют между собой. При этом ток подается извне.
Классификация электрохимических методов
Классифицируют электрохимические методы исходя из явлений, на которых основаны физико-химические исследования. Это методы с наложением постороннего потенциала и без него.
Кондуктометрия является аналитическим методом и измеряет электрическую проводимость G. При кондуктометрическом анализе, как правило, используется переменный ток. Кондуктометрическое титрирование – более распространенный метод исследования. На этом методе основано изготовление портативных кондуктометров, применяемых для химических исследований воды.
При проведении потенциометрии измеряют ЭДС обратимого гальванического элемента. Метод кулонометрии определяет количество электричества, израсходованного во время электролиза. Вольтамперометрия исследует зависимость величины тока от проложенного потенциала.
Термические методы анализа веществ
Термический анализ направлен на определение изменения физических свойств вещества под действием температуры. Данные методы исследования выполняются в течение небольшого промежутка времени и с небольшим количеством изучаемого образца.
Термогравиметрия – один из методов термического анализа, на который приходится регистрация изменения массы объекта под влиянием температуры. Данный способ считается одним из самых точных.
Кроме того, к термическим методам исследования относятся калориметрия, определяющая теплоемкость вещества, энтальпиметрия, основанная на исследовании теплоемкости. Также к их числу следует отнести дилатометрию, которая фиксирует изменение объема образца под действием температуры.
Хроматографические методы анализа веществ
Метод хроматографии является способом разделения веществ. Существует множество видов хроматографии, основные из них: газовый, распределительный, окислительно-восстановительный, осадочный, ионообменный.
Компоненты в исследуемом образце разделяются между подвижной и неподвижной фазами. В первом случае речь идет о жидкостях или газах. Неподвижная фаза является сорбентом – твердым веществом. Компоненты образца перемещаются в подвижной фазе вдоль неподвижной. По скорости и времени прохождения компонентов через последнюю фазу судят об их физических свойствах.
Применение физико-химических методов исследования
Важнейшим направлением физико-химических методов является санитарно-химическое и судебно-химическое исследование. Они обладают некоторыми различиями. В первом случае для оценки проведенного анализа используются принятые гигиенические нормативы. Они устанавливаются министерствами. Санитарно-химическое исследование проводится в порядке, установленном эпидемиологической службой. В процессе используются модели сред, которые имитируют свойства пищевых продуктов. Также они воспроизводят условия эксплуатации образца.
Судебно-химическое исследование направлено на количественное выявление наркотических, сильнодействующих веществ и ядов в организме человека, пищевых продуктах, медикаментозных препаратах. Экспертиза проводится по судебному постановлению.
