Badania fizykochemiczne jako gałąź chemii analitycznej znajdują szerokie zastosowanie w każdej sferze ludzkiego życia. Pozwalają na badanie właściwości substancji będącej przedmiotem zainteresowania poprzez określenie ilościowego składnika składników w składzie próbki.
Badania substancji
Badania naukowe to wiedza o obiekcie lub zjawisku w celu uzyskania systemu pojęć i wiedzy. Zgodnie z zasadą działania stosowane metody są klasyfikowane na:
- empiryczne;
- organizacyjny;
- interpretacyjny;
- metody analizy jakościowej i ilościowej.
Empiryczne metody badawcze odzwierciedlają badany obiekt od strony przejawów zewnętrznych i obejmują obserwację, pomiary, eksperymenty, porównania. Badanie empiryczne opiera się na rzetelnych faktach i nie wiąże się z tworzeniem sztucznych sytuacji do analizy.
Metody organizacyjne - porównawcze, podłużne, złożone. Pierwsza implikuje porównanie stanów obiektu uzyskanych w różnym czasie iw różnych warunkach. Wzdłużne – obserwacja obiektubadania przez długi czas. Complex to połączenie metod podłużnych i porównawczych.
Metody interpretacji - genetyczne i strukturalne. Wariant genetyczny polega na badaniu rozwoju obiektu od momentu jego pojawienia się. Metoda strukturalna bada i opisuje strukturę obiektu.
Chemia analityczna zajmuje się metodami analizy jakościowej i ilościowej. Badania chemiczne mają na celu określenie składu przedmiotu badań.
Metody analizy ilościowej
Za pomocą analizy ilościowej w chemii analitycznej określa się skład związków chemicznych. Prawie wszystkie stosowane metody opierają się na badaniu zależności właściwości chemicznych i fizycznych substancji od jej składu.
Analiza ilościowa jest ogólna, kompletna i częściowa. Ogólne określa ilość wszystkich znanych substancji w badanym obiekcie, niezależnie od tego, czy są one obecne w składzie, czy nie. Kompletną analizę wyróżnia się znalezieniem składu ilościowego substancji zawartych w próbce. Opcja częściowa określa zawartość tylko składników będących przedmiotem zainteresowania w tym badaniu chemicznym.
W zależności od metody analizy istnieją trzy grupy metod: chemiczne, fizyczne i fizykochemiczne. Wszystkie z nich opierają się na zmianie właściwości fizycznych lub chemicznych substancji.
Badania chemiczne
Ta metoda ma na celu oznaczenie substancji w różnych ilościowo występujących substancjach chemicznychreakcje. Te ostatnie mają zewnętrzne objawy (przebarwienia, wydzielanie gazu, ciepło, osad). Metoda ta jest szeroko stosowana w wielu gałęziach życia współczesnego społeczeństwa. Laboratorium badań chemicznych to niezbędnik w przemyśle farmaceutycznym, petrochemicznym, budowlanym i wielu innych.
Istnieją trzy rodzaje badań chemicznych. Grawimetria lub analiza wagowa opiera się na zmianie właściwości ilościowych badanej substancji w próbce. Ta opcja jest prosta i daje dokładne wyniki, ale jest czasochłonna. Przy tego typu metodach badań chemicznych wymagana substancja jest oddzielana z całego składu w postaci osadu lub gazu. Następnie jest doprowadzany do stałej fazy nierozpuszczalnej, filtrowany, przemywany, suszony. Po tych procedurach składnik jest ważony.
Miareczkowanie to analiza objętościowa. Badanie chemikaliów odbywa się poprzez pomiar objętości odczynnika, który reaguje z badaną substancją. Jego stężenie jest z góry znane. Objętość odczynnika jest mierzona po osiągnięciu punktu równoważności. W analizie gazów określana jest objętość uwolnionego lub zaabsorbowanego gazu.
Ponadto często wykorzystywane są badania modeli chemicznych. Oznacza to, że tworzony jest odpowiednik badanego obiektu, który jest wygodniejszy do studiowania.
Badania fizyczne
W przeciwieństwie do badań chemicznych polegających na przeprowadzeniu odpowiednich reakcji, fizyczne metody analizy opierają się na tych samych właściwościach substancji. Dla ichprzeprowadzenie wymaga specjalnych urządzeń. Istotą metody jest pomiar zmian właściwości substancji spowodowanych działaniem promieniowania. Główne metody badania fizykalnego to refraktometria, polarymetria, fluorymetria.
Refraktometrię przeprowadza się za pomocą refraktometru. Istota metody sprowadza się do badania załamania światła przechodzącego z jednego ośrodka do drugiego. Zmiana kąta w tym przypadku zależy od właściwości składników medium. Dzięki temu możliwa staje się identyfikacja składu medium i jego struktury.
Polarymetria to optyczna metoda badawcza, która wykorzystuje zdolność pewnych substancji do obracania płaszczyzny oscylacji liniowo spolaryzowanego światła.
Do fluorymetrii stosuje się lasery i lampy rtęciowe, które wytwarzają promieniowanie monochromatyczne. Niektóre substancje są zdolne do fluorescencji (pochłaniają i wydzielają zaabsorbowane promieniowanie). Na podstawie intensywności fluorescencji wyciąga się wniosek dotyczący ilościowego oznaczenia substancji.
Badania fizyczne i chemiczne
Fizykochemiczne metody badawcze rejestrują zmiany właściwości fizycznych substancji pod wpływem różnych reakcji chemicznych. Opierają się na bezpośredniej zależności właściwości fizycznych badanego obiektu od jego składu chemicznego. Metody te wymagają użycia niektórych przyrządów pomiarowych. Z reguły prowadzi się obserwację przewodności cieplnej, przewodności elektrycznej, pochłaniania światła, temperatury wrzenia i temperatury topnienia.
Fizykochemiczne badania materiisą szeroko stosowane ze względu na ich dużą dokładność i szybkość uzyskiwania wyników. We współczesnym świecie, w związku z rozwojem technologii informatycznych, metody chemiczne stały się trudne do zastosowania. Metody fizykochemiczne są stosowane w przemyśle spożywczym, rolnictwie, kryminalistyce.
Jedną z głównych różnic między metodami fizycznymi i chemicznymi a chemicznymi jest to, że koniec reakcji (punkt równoważnikowy) znajduje się za pomocą przyrządów pomiarowych, a nie wizualnie.
Za główne metody badań fizycznych i chemicznych uważa się metody spektralne, elektrochemiczne, termiczne i chromatograficzne.
Spektralne metody analizy substancji
Podstawą spektralnych metod analizy jest oddziaływanie obiektu z promieniowaniem elektromagnetycznym. Badana jest absorpcja, odbicie i rozpraszanie tych ostatnich. Inna nazwa metody to optyczna. Jest to połączenie badań jakościowych i ilościowych. Analiza spektralna pozwala ocenić skład chemiczny, strukturę składników, pole magnetyczne i inne właściwości substancji.
Istotą metody jest określenie częstotliwości rezonansowych, przy których substancja reaguje na światło. Są one ściśle indywidualne dla każdego komponentu. Za pomocą spektroskopu możesz zobaczyć linie na widmie i określić składniki substancji. Intensywność linii widmowych daje wyobrażenie o charakterystyce ilościowej. Klasyfikacja metod spektralnych opiera się na rodzaju widma i celu badania.
Metoda emisjipozwala na badanie widm emisyjnych oraz dostarcza informacji o składzie substancji. Aby uzyskać dane, jest poddawany wyładowaniu łuku elektrycznego. Odmianą tej metody jest fotometria płomieniowa. Widma absorpcyjne badane są metodą absorpcyjną. Powyższe opcje odnoszą się do jakościowej analizy substancji.
Ilościowa analiza widmowa porównuje intensywność linii widmowej badanego obiektu i substancji o znanym stężeniu. Metody te obejmują analizę absorpcji atomowej, fluorescencji atomowej i luminescencji, turbidymetrię, nefelometrię.
Podstawy analizy elektrochemicznej substancji
Analiza elektrochemiczna wykorzystuje elektrolizę do badania substancji. Reakcje przeprowadzane są w roztworze wodnym na elektrodach. Jedna z dostępnych cech ma zostać zmierzona. Badanie prowadzone jest w ogniwie elektrochemicznym. Jest to naczynie, w którym umieszczane są elektrolity (substancje o przewodności jonowej), elektrody (substancje o przewodnictwie elektronicznym). Elektrody i elektrolity oddziałują ze sobą. W tym przypadku prąd jest dostarczany z zewnątrz.
Klasyfikacja metod elektrochemicznych
Klasyfikuj metody elektrochemiczne w oparciu o zjawiska, na których opierają się badania fizyczne i chemiczne. Są to metody z obcym potencjałem i bez niego.
Konduktometria to metoda analityczna służąca do pomiaru przewodności elektrycznej G. W analizie konduktometrycznej na ogół wykorzystuje się prąd przemienny. Miareczkowanie konduktometryczne – więcejwspólna metoda badawcza. Metoda ta jest podstawą do produkcji przenośnych konduktometrów stosowanych do chemicznych badań wody.
Podczas wykonywania potencjometrii mierzona jest siła elektromotoryczna odwracalnego ogniwa galwanicznego. Metoda kulometryczna określa ilość energii elektrycznej zużywanej podczas elektrolizy. Woltamperometria bada zależność wielkości prądu od przyłożonego potencjału.
Termiczne metody analizy substancji
Analiza termiczna ma na celu określenie zmiany właściwości fizycznych substancji pod wpływem temperatury. Te metody badawcze są wykonywane w krótkim czasie i na małej ilości badanej próbki.
Termograwimetria to jedna z metod analizy termicznej, która uwzględnia rejestrację zmian masy obiektu pod wpływem temperatury. Ta metoda jest uważana za jedną z najdokładniejszych.
Ponadto metody badań termicznych obejmują kalorymetrię, która określa pojemność cieplną substancji, entalpirometrię, opartą na badaniu pojemności cieplnej. Do nich należy również zaliczyć dylatometrię, która wychwytuje zmianę objętości próbki pod wpływem temperatury.
Metody chromatograficzne analizy substancji
Metoda chromatografii jest sposobem oddzielania substancji. Istnieje wiele rodzajów chromatografii, z których główne to: gazowa, dystrybucyjna, redoks, strącanie, wymiana jonowa.
Komponenty w próbce testowej są rozdzielone na ruchome i nieruchomefazy. W pierwszym przypadku mówimy o cieczach lub gazach. Faza stacjonarna to sorbent - ciało stałe. Elementy próbki poruszają się w fazie ruchomej wzdłuż fazy stacjonarnej. Na podstawie szybkości i czasu przejścia składników przez ostatnią fazę ocenia się ich właściwości fizyczne.
Zastosowanie fizycznych i chemicznych metod badawczych
Najważniejszym obszarem metod fizykochemicznych są badania sanitarno-chemiczne i sądowo-chemiczne. Mają pewne różnice. W pierwszym przypadku do oceny przeprowadzonej analizy wykorzystuje się przyjęte standardy higieniczne. Są one ustalane przez ministerstwa. Badania sanitarno-chemiczne prowadzone są zgodnie z procedurą ustaloną przez służbę epidemiologiczną. W procesie wykorzystuje się modele środowiskowe, które naśladują właściwości produktów spożywczych. Odwzorowują również warunki pracy próbki.
Chemiczne badania sądowe mają na celu ilościowe wykrywanie narkotyków, silnych substancji i trucizn w ludzkim ciele, produktach spożywczych, lekach. Badanie przeprowadzane jest zgodnie z postanowieniem sądu.
