1.1: Що таке аналітична хімія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 24974

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

«Аналітична хімія - це те, що роблять хіміки-аналітики».

Цитата приписується C. N. Reilly (1925-1981) після отримання премії Фішера 1965 року в аналітичній хімії. Рейлі, який був професором хімії в Університеті Північної Кароліни в Чапел-Хілл, був одним з найвпливовіших хіміків-аналітиків останньої половини ХХ століття.

Інший погляд на те, що являє собою аналітична хімія, див. У статті «Quo Vadis, аналітична хімія?» , Повне посилання на які є Valca'rcel, М.анал. Біоанал. Хім. 2016, 408, 13-21.

Почнемо з оманливо простого питання: що таке аналітична хімія? Як і всі області хімії, аналітична хімія настільки широка за обсягом і настільки сильно в потоці, що важко знайти просте визначення, більш показове, ніж те, що цитується вище. У цьому розділі ми спробуємо розширити це просте визначення, сказавши трохи про те, що таке аналітична хімія, а також трохи про те, що не є аналітичною хімією.

Аналітичну хімію часто описують як область хімії, відповідальну за характеристику складу речовини, як якісно (Чи є свинець в цій фарбі чіп?) і кількісно (Скільки свинцю в цьому чіпі фарби?). Як ми побачимо, цей опис вводить в оману.

Більшість хіміків регулярно роблять якісні та кількісні вимірювання. З цієї причини деякі вчені припускають, що аналітична хімія - це не окрема галузь хімії, а просто застосування хімічних знань [Ravey, M. Spectrosky, 1990, 5 (7), 11]. Насправді ви, напевно, виконували багато таких кількісних та якісних аналізів на інших курсах хімії.

Наприклад, ви могли б визначити концентрацію оцтової кислоти в оцті за допомогою кислотно-основного титрування або використати схему qual, щоб визначити, який із декількох іонів металів знаходиться у водному зразку.

Визначення аналітичної хімії як застосування хімічних знань ігнорує унікальну перспективу, яку хімік-аналітик привносить до вивчення хімії. Майстерність аналітичної хімії полягає не в проведенні рутинного аналізу на звичайному зразку - завдання, яке ми належним чином називаємо хімічним аналізом, а в вдосконаленні усталених аналітичних методів, розширенні цих аналітичних методів на нові типи зразків та у розробці нових аналітичних методів вимірювання хімічні явища [де Хасет, J. Спектроскопія, 1990, 5 (7), 11].

Ось один із прикладів відмінності аналітичної хімії та хімічного аналізу. Гірничі інженери оцінюють руду, порівнюючи вартість видалення руди із землі зі значенням її вмісту, яке вони оцінюють, аналізуючи зразок руди. Завданням розробки та перевірки кількісного аналітичного методу є відповідальність хіміка-аналітика; рутинне, щоденне застосування аналітичного методу - робота хімічного аналітика.

Сім етапів аналітичного методу

Концепція аналітичного методу (народження).
Успішна демонстрація того, що аналітичний метод працює.
Встановлення можливостей аналітичного методу.
Широке визнання аналітичного методу.
Постійний розвиток аналітичного методу призводить до значних поліпшень.
Новий цикл через кроки 3—5.
Аналітичний метод більше не може конкурувати з новішими аналітичними методами (смерть).

Етапи 1—3 та 5 - провінція аналітичної хімії; крок 4 - сфера хімічного аналізу.

Сім етапів аналітичного методу, перерахованого тут, модифіковані з Фасселя, В.А. Фресеніуса З. анал. Хім. 1986, 324, 511—518 і Хіфтьє, Г.М. Едук. 2000, 77, 577-583.

Ще одна відмінність між аналітичною хімією та хімічним аналізом полягає в тому, що хімік-аналітик працює над вдосконаленням та розширенням встановлених аналітичних методів. Наприклад, кількісний аналіз нікелю в рудах ускладнюють кілька факторів, включаючи нерівномірний розподіл нікелю всередині руди, складну матрицю силікатів і оксидів руди та наявність інших металів, які можуть перешкоджати аналізу. На малюнку Template:index окреслено один стандартний аналітичний метод, який використовувався наприкінці ХІХ століття [Фресеній. Система навчання кількісного хімічного аналізу; Джон Вілі та сини: Нью-Йорк, 1881]. Необхідність багатьох реакцій, травлень та фільтрацій робить цей аналітичний метод як трудомістким, так і важким для точного виконання.

Рисунок Template:index: Аналітична схема Фресеніуса для гравіметричного аналізу Ni в рудах. Після кожного етапу тверде тіло і розчин розділяються гравітаційною фільтрацією. Зверніть увагу, що маса нікелю безпосередньо не визначається. Замість цього спочатку виділяють і зважують Со і Ni (**маса А**), а потім виділяють і зважують окремо (**маса В**). Хронологія показує, що для аналізу одного зразка потрібно приблизно 58 годин. Ця схема є прикладом гравіметричного аналізу, який досліджується далі в главі 8.

Відкриття, в 1905 році, що диметилгліоксим (dmg) вибірково осаджує Ni ^{2 + і Pd ²} ^⁺ призвело до вдосконаленого аналітичного методу кількісного аналізу нікелю [Kolthoff, I.M.; Sandell, E.B. Підручник кількісного неорганічного аналізу , 3-е видання, Компанія Макміллана: Нью-Йорк, 1952]. Отриманий аналіз, який викладено на рисунку Template:index, вимагає менше маніпуляцій і менше часу. До 1970-х років атомно-абсорбційна спектрометрія полум'я замінила гравіметрію як стандартний метод аналізу нікелю в рудах, що призвело до ще більш швидкого аналізу [Van Loon, J.C. Аналітична атомна абсорбційна спектроскопія, Академічна преса: Нью-Йорк, 1980]. Сьогодні стандартний аналітичний метод використовує індуктивно зв'язаний плазмовий оптичний емісійний спектрометр.

Рисунок Template:index: Гравіметричний аналіз Ni в рудах шляхом осадження Ni (dmg) ₂. На часовій шкалі показано, що аналіз однієї вибірки займає приблизно 18 годин, що значно менше 58 годин для методу на рисунку Template:index. Коефіцієнт 0,2301 у рівнянні для% Ni враховує різницю у вагах формули Ni та Ni (dmg) ₂; докладніше див. Розділ 8. Структура dmg показана нижче блок-схеми методу.

Структура dmg - подвійний зв'язок HON C, розгалужена метильна група, С, розгалужена метильна група, подвійний зв'язок, NOH. — Рисунок Template:index: Гравіметричний аналіз Ni в рудах шляхом осадження Ni (dmg) ₂. На часовій шкалі показано, що аналіз однієї вибірки займає приблизно 18 годин, що значно менше 58 годин для методу на рисунку Template:index. Коефіцієнт 0,2301 у рівнянні для% Ni враховує різницю у вагах формули Ni та Ni (dmg) ₂; докладніше див. Розділ 8. Структура dmg показана нижче блок-схеми методу.

Можливо, більш відповідним описом аналітичної хімії є «наука про винахід і застосування понять, принципів і... стратегій вимірювання характеристик хімічних систем» [Мюррей, Р.В. Хім. 1991, 63, 271А]. Хіміки-аналітики часто працюють на крайніх краях аналізу, розширюючи та покращуючи здатність всіх хіміків робити значущі вимірювання на менших зразках, на більш складних зразках, на більш коротких часових масштабах та на видах, присутніх у менших концентраціях. Протягом своєї історії аналітична хімія надала багато інструментів і методів, необхідних для досліджень в інших традиційних областях хімії, а також сприяння багатопрофільним дослідженням в, щоб назвати декілька, лікарської хімії, клінічної хімії, токсикології, судової хімії, матеріалознавства, геохімія та хімія навколишнього середовища.

Для хіміка-аналітика критично важливий процес проведення корисного вимірювання; якщо вимірювання не має центрального значення для роботи, то це не аналітична хімія.

Ви зіткнетеся з численними прикладами аналітичних методів в цьому підручнику, більшість з яких є рутинними прикладами хімічного аналізу. Важливо пам'ятати, однак, що нерутинні проблеми спонукали хіміків-аналітиків до розробки цих методів.

Редакційна стаття в аналітичній хімії під назвою «Деякі слова про категорії рукописів» добре підкреслює, що робить дослідження актуальним для сучасної аналітичної хімії. Повне цитування - Мюррей, Р.В. Хім. 2008, 80, 4775; для більш пізньої редакції див. «Сфера аналітичної хімії» Sweedler, J. V. та ін. Анальний. Хім. 2015, 87, 6425.