Классификация методов исследования

Первые методы (химические) были разработаны аналитической химией. Эти методы:

1.весовой (гравиметрический) - основан на определении массы веществ вступающих в реакцию или образуется в результате реакции (реакция осаждения, реакция нейтрализации). По изменению pH среды в реакции нейтрализации судят по количеству образовавшихся и вступивших в реакцию веществ.

2. объемный (титрометрический) – основан на изменении объема веществ вступивших или образующихся в результате реакции.

Эти методы позже стали называть классическими, они широко применяются химии, металлургии, народном хозяйстве. При этом оказалось, что классические методы часто не могут удовлетворить новому развитию по быстроте и новым параметрам. Поэтому были разработаны методы измерения других свойств веществ: электрохимических и электрохимических, которые удовлетворили современные требования производства и науки. Появились новые методы анализа: изотопный, адсорбция, электронная микроскопия и многие другие.

Возникли и стали применяться новые химические и физико-химические методы анализа. В настоящее время все методы анализа классифицируются:

1. Химические

2. Физические

3. Физико-химические методы

Химические методы анализа основаны на той или иной химической реакции, в ходе которой определяется масса веществ.

Физические методы анализа основаны на физических принципах или законах. В этих методах химические реакции отсутствуют или имеют второстепенное значение.

К этим методам относятся:

1. спектральный анализ

2. электронная микроскопия

3. рентгеноструктурный анализ

4. адсорбционная микроскопия (спектрофотомерия, фотометрия, фотокалориметрия)

5. инфракрасный анализ

6. электронный парамагнитный резонанс

7. ядерный магнитный резонанс

8. люминесценция

9. потенциометрия

10. кондуктометрия

11. кулонометрия

12. масс спектральный анализ

13. рефрактометрия

14. полярометрия

15. нефелометрия (для определения концентрации веществ)

Физико-химические методы – характерной особенностью более близких к физическим в отличие от обычных химических является то, что в этих методах используется не только химические реакции но и взаимодействие тока или различных полей с веществом.

Все физико-химические методы подразделяются на 3 группы:

1. оптические

2. электрохимические методы исследования

3. хроматографические методы анализа

Главной особенностью физико-химических методов анализа является их очень высокая чувствительность и точность. Чувствительность этих методов достигает 10^-14 – 10^-15%.

 

ФХМИ

Все ФХМ подразделяются на 3 группы:

-оптические

-электрохимические

-хроматографические

Главной особенностью этих методов является оч высокая чувствительность и точность.

Чувствительность этих методов

· К оптическим методам относятся: спектральный анализ, адсорбционная спектроскопия,фотометрия,фотоколометрия, спектрофотометрия,люминисцентный анализ.

· К электрохим. Отн.:электровесовой анализ,потенциометрическое титрование, потенциоменрия,амперометрическое титрование,полярографический анализ, кондуктометрическое титрование

· Хроматографические методы: ионообменная хр., газовая или газожидкостная хр., жидкостнораспределительная хр., гель-хр., хр. по сродству, хр. на бумаге и т.д.

· др. методы: масс-спектральный, радиометричекие, метод изотропной метки.

 

3.ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА Физические методы анализа основаны на физических принципах или законах. В этих методах химические реакции отсутствуют или имеют второстепенное значение.

С точки зрения практич. применения используют классификацию Ф. м. а.:

1) спектроскопич. методы анализа -атомно-эмиссионная, атомно-абсорбционная, атомно-флуо-ресцентная спектрометрия и др. (например, Атомно-абсорб-ционный анализ, Атомно-флуоресцентный анализ, Инфракрасная спектроскопия, Ультрафиолетовая спектроскопия), рентгеновская спектроскопия, в т. ч. рентгено-флуоресцентный метод и рентгеноспектральный микроанализ, масс-спектрометрия, электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс, электронная спектрометрия;

2) ядер-но-физ. и радиохим. методы - радиоактивационный анализ (Активационный анализ), ядерная гамма-резонансная, или мёссбауэровская спектроскопия, изотопного разбавления метод;

3) прочие методы, например рентгеновская дифрактометрия (Дифракционные методы).

Достоинства физ. методов: простота пробоподготовки (в большинстве случаев) и качественного анализа проб, большая универсальность по сравнению с хим. и физ.-хим. методами (в т.ч. возможность анализа многокомпонентных смесей), широкий динамич. диапазон (т. е. возможность определения основных, примесных и следовых составляющих), часто низкие пределы обнаружения как по концентрации (до 10^-8 % без использования концентрирования), так и по массе (10^-10 -10^-20 г), что позволяет расходовать предельно малые кол-ва пробы, а иногда проводить неразрушающий анализ. Многие Ф. м. а. позволяют выполнять как валовый, так и локальный и послойный анализ с пространств. разрешением вплоть до моноатомного уровня. Ф. м. а. удобны для автоматизации.

Использование достижений физики в аналит. химии приводит к созданию новых методов анализа. Так, в кон. 80-х гг. появились масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, ядерный микрозонд (метод, основанный на регистрации рентгеновского излучения, возбужденного при бомбардировке исследуемого образца пучком ускоренных ионов, обычно протонов). Расширяются области применения Ф. м. а. природных объектов и техн. материалов. Новый толчок их развитию даст переход от разработки теоретич. основ отдельных методов к созданию общей теории Ф. м. а. Цель таких исследований - выявление физ. факторов, обеспечивающих все связи в процессе анализа. Нахождение точной взаимосвязи аналит. сигнала с содержанием определяемого компонента открывает путь к созданию "абсолютных" методов анализа, не требующих образцов сравнения. Создание общей теории облегчит сопоставление Ф. м. а. между собой, правильный выбор метода для решения конкретных аналит. задач, оптимизацию условий анализа.

16. При поглощении света мол-ла из основного состояния переходит в возбужденное состояние. Возбужденная молекула имеет несколько большие размеры засчет увеличение электрического облака и обладает большим запасом энергии. Молекула в возбужденном состоянии не может находится долго, поэтому она переходит различными путями в основное состояние.

Поглощение света веществом – это внутримолекулярный физический процесс. Поглощение света это одноквантовый молекулярный физический процесс. Квантовый свет поглощается целиком и полностью если мол-ла способна поглотить эти кванты. Свет поглощается исключительно молекулами. При взаимодействии света с веществом проявляется его корпускулярная и волновая природа. Квантовая природа света проявляется в том, что фотон поглощается молекулой целиком и без остатка. Поглощение света в этом смысле является дискретным. Волновая природа света проявляется в том что поглощение света достигается в результате взаимодействия электронного облака молекулы электрическим вектором световой волны. Взаимодействие магнитного вектора с молекулой пренебрежительно мало. Электрический вектор световой волны индуцирует в молекуле дипольный момент, к-й взаимод-т с электр-м вектором. Энергия световой волны расходуется на раскачку или колебательные движения молекулы. В следствии этого энергия световой волны ослабевает, а внутренняя энергия вещества увеличивается.

 

 

17. Закон Бугера-Ламберта-Бэра: оптическая плотность вещества прямо пропорциональна концентрации вещества для данной длины волны падающего света.

Ограничения применимости основного закона светопоглащения:

1.он применим только для монохроматного света, т.е. свет определенной длины волны. Монохроматный свет получается в специальных приборах –спектрофотометрах

2.Закон применим для разбавленных растворов когда при изменении концентрации не изм-ся показатель преломления этого вещества.

3.Прямопропорциональная зависимость Д от с будет выполняется для растворов у которых при изменении концентрации не происходит ассоциации, диссоциации, полимеризации и др. При наличии этих процессов изменяется хим-я природа поглощающих центров, а значит изм-ся Е.

4.этот закон выполнен только для параллельного пучка квантов светового потока.

Значение закона: в хим-й промышленности, в народном хозяйстве, в металлургии, в химии и биологии. Этот закон широко исп-ся для определения концентрации разл-х веществ.

1сп-сть поглощения в-в наз-ся зависимость опт-й плотности от частоты падением света.

 

5. Оптические методы:

1. Спектральный анализ - изучает эмиссионное илиатомное электромагнитное излучение. Каждый химический элемент имеет свой спектр испускания. Изучается с помощью специальных приборов, которые позволяют получать узкие спектральные линии. Каждый химический элемент имеет свой спектр. Так можно определять качественный и количественный элементарный химический состав вещества.

2. Адсорбционная спектроскопия: ультрафиолетовая сп., видимая сп., ИК-сп., рентгеноскопия, гамма-скопия, ЭПР-скопия, ЯМР-скопия. В основе адсорбционной сп. лежит взаимодействие квантов с веществом. Чаще встречается фотометрические методы: фотоколометрические, фотометрические, спектрофотометрические. Основан на измерении света вещества по которому определяется содержание вещества в пробе.

Фотоколометрический метод основан на определении интенсивности окрашивания по сравнению со стандартным. Производится визуально.

Фотометричесикй метод – определение светопоглощения производится с помощью фотоэлемента, т.е. используется диапазон длин волн ЭМИ.

Спектрофотометрический анализ – используется спектрофотометры, которые позволяют измерять светопоглощение при монохроматич. определённой длины волны света.

Сравнение: спектрофотометрия как физический метод используется для измерения концентрации веществ по их спектропоглощению. Физико-химические методы. Используется хим. реакция. Определяемое вещество с помощью реактивов в результате хим. реакции превращается в окрашиваемое соединение. анализ обладает чувствительностью 1-0,001 %.

Также используется люминисцентный анализ.

 

Электрохимические методы

Электровесовой метод. Определённое вещество выделяет электролиз чаще на катоде. Электрод взвешивают до и после и по окончании опыта для обнаружения разницы в весе. Этот метод используется широко. Характеризуется высокой прочностью, однако полное осаждение требует длительного электролиза.

Потенциометрическое титрование. Основано на титровании раствора определённого вещества.

Потенциометрия. Измерение ЭДС, концентрации катионов и анионов.

Амперометрическое титрование. Это титрование можно рассматривать как вариант потенциометрического титрования, отличающегося тем, что в нём применятеся микроэлемент. Применяется, когда трудно подобрать индикатор и электрод.

Полярографиеский анализ. Для определения концентрации вещества.

Кондуктометрическое титрование с помощью прибора кондуктометра.

Недостатки: присутствие посторонних элементов увеличивающих электропроводность, что уменьшает чувствительность и прочность.

 

32. Рефрактометрия (от лат. refractus - преломленный и греч. metreo - измеряю) - метод анализа, основанный на явлении преломления света при прохождении из одной среды в другую. Преломление света, то есть изменение его первоначального направления, обусловлено различной скоростью распределения света в различных средах.

Рефрактометрический метод является одним из самых про­стых физико-химических методов анализа с затратой очень не­больших количеств анализируемого вещества и проводится за очень короткое время. В фармацевтическом анализе этот метод применяется для идентификации лекарственных веществ, уста­новления их чистоты и количественного анализа.

Рефрактометрический метод анализа основан на измерении показателя преломления анализируемого вещества. Показатель преломления - одно из основных физических свойств вещества: индивидуальное вещество, свободное от примесей, характери­зуется определенным показателем преломления. Когда луч све­та переходит из одной прозрачной среды в другую, на границе сред направление его изменяется - луч преломляется.

 

При этом отношение синуса угла падения луча (α) к синусу угла преломления (β) для двух соприкасающихся сред есть величина постоянная, называемая показателем преломления (n).

Показатель преломления также равен отношению скоростей распространения света в этих средах:

Физический смысл показателя преломления n закл-ся в том, что он определяется отношением скорости света в вакууме к скорости света в данной среде n=c/v(скорость).

 

Величина показателя прелом­ления зависит от природы веще­ства, длины световой волны, кон­центрации раствора, температу­ры.

Определение показателя пре­ломления производят с помощью специального прибора, называемого рефрактометром. На прак­тике применяются рефрактометры различных систем: лабора­торный- РЛ, универсальный - РЛУ и др.

Показатель преломления обычно измеряют при 20 °С и дли­не волны 589,3 нм линии D спектра натрия (n_D²⁰). Пределы из­мерения показателей преломления 1,3-1,7.

 

33. Принцип работы на рефрактометрах основан на определении показателя преломления методом предельного угла (угол пол­ного отражения света) (рис.2).

Главной деталью реф­рактометра является измерительная призма из оптического стекла, показатель преломления которого известен. Входная грань измерительной призмы, соприкасающаяся с исследуемым веществом, служит границей раздела, на которой происходит преломление и полное внутреннее отражение луча. Через вы­ходную грань измерительной призмы в зрительную трубу на­блюдают преломление или отражение света.

Луч света попадает на призму, на которую наносится слой исследуемой жидкости, преломляясь в ней рассеивается. При этом рассеянные лучи распр-ся во всех направлениях, в том числе параллельно измерительной призме. Далее эти лучи пройдя сквозь эту призму попадают в отсчетное устройство. Если граница свет-тень оказалась окрашенной и размытой, то с помощью компенсатора добиться четкой черно-белой границы. Путем поворота спец рычага необ-мо совместить границу свет-тень с маркером отчетного устройства, при этом маркер показывает на встроенной шкале непосредственно значение коэф-та преломления.

Конструкция рефрактометра РПЛ-3:

1-корпус, 2-штатив, 3-вспомогательная откидная призма с матовой нижней гранью, 4-измерительная призма, 5-рукоятка отчетного устройства, 6-окуляр, 7- рукоятка компенсатора, 8-луч света.(попадает на призму из окна или от спец-го осветителя.

 

 

 

34. Дипольный момент –важ.молекул. константа, хар-щая электр. симметрию мол-лы.Знание вел-ны дип.мом.необходимо для из природы химсвязи, оценки прочности дон-акцепт.и межмолекул.св., для квантово-хим. расчетов. По величине дипольного момента мож. судить об изомерии и конформации органсоединений, конфигурации координац. узлов комплексов, о взаимном вл. атомов и св.в мол.

Величина электрического дипольного момента(μ) опред.соотношением: ,где l - радиус-вектор, напр.от центра тяжести(-)электр.зарядак центру тяжести (+)заряда, абсолют. вел.каж.заряда q. Принято изм.дипмом.в ед. Дебая: 1 D = 1·10-18 эл.-ст.ед.В системе единиц СИ 1D= 3.34·10-30 Кл*м. Причиной появ.дип.мом. явл.:1–это разл. в природе состав молекулу атомов. В простейшем случае для двухатомной молμ = 0,если она сост. из 2одинак.атомов. Это относится к H₂, O₂, N₂ и т.д. В двухатомной мол. с атом. Разн. природы прояв.пост. дип.мом,т.к., вследст.разн.электроотрицательности,харак.спос-сть ат.оттягивать электроплотность,появл.асимметрия электр. плотности.2– раз. гибрид.сос-ния орбиталей атомов.например, для связи H-Cl, образ.1s-орбит.Н и 3p-орбитальюCl, вслед.разл. формы s- и p-орбиталей, центр тяжести заряда перекрывания смещен в сторону Нна ΔL, засч. чего возн. допол., т.н.гомеополярный дип.мом.

Сх.происхождения гомеополярного диполя.

Мол.HCl, HBr, HI им.пост. дип.мом= соответственно,1.95 D, 0.79 D, 0.40 D. Др.вклады в сумдип. мом.возн.из-за асимметрии связ.и несвяз. атомных орбиталей вслед. их гибр-ции. Так, дипмом.NH3=1.46 D,в осн.обуслов. мом.несвяз. пары е азота. Мол.рефракция -это произв.мол. массы М на удел.рефракцию R,т.е. молек.рефракция=MR. Удельная рефракция R вычисл.на основ.эксперим. опр.показ.преломления и плотности. Мол.рефракция яв.аддитивным (суммарным) св-вом,она=сумме атом.реф-ций эл.,вход.в состав мол-лы. При этом ат.ре-ции нек.эл-ов, напр.»О», им.разл.вел-ны в завис.от того, как св.дан. атом:атом «О», вход.в состав гидроксил. группы -О-Н и в состав эфира R-О-R,буд. Им.разл. ат. рефракцию. Наличие в мол.2-ых и 3-ыхсв.увел.мол.рефракцию на опр.вел-у. Пок.преломления-решающ.физ. конст.- явл.пок. чистоты в-ва. Опред.пок. прелом.произв.при пом.рефрактометров. Рефрактометры дол.обесп. точность опред. пок.преломления не менее чем до 0,0005при t=20 С и длине волны линии D спектра Na(589,3 нм) Точность пок.рефрактометров пров. по дистил.воде или эталонным жидкостям. Реф-ция не зав.от t, поскольку умен.пок.прелом. при повыш.t ком-тся одновр. Умен.пло-ти. Рефракция не зав. также от агр.с-ния в-ва.

 

41. Электрофорез в полиакриламидном геле (сокр. электрофорез в ПААГ, ПААГ электрофорез; англ. PAGE, Polyacrylamide Gel Electrophoresis) — метод молекулярной биологии и биохимии, используемый для разделения белков и нуклеиновых кислот, основанный на движении заряженных биологических макромолекул в постоянном электрическом поле. Разделение в полиакриламидном геле происходит за счёт различий заряда разделяемых молекул и отличий молекулярных масс, а также от конфигурации молекул. Разделяют т. н. неденатурирующий, или нативный ПААГ-электрофорез (при котором разделяемые биологические макромолекулы в процессе электрофореза остаются в нативном состоянии) и денатурирующий ПААГ-электрофорез (при котором пробы предварительно денатурируют, в случае нуклеиновых кислот используют непродолжительное нагревание пробы с формамидом либо глиоксалем, для денатурации белков обычно используют кипячение пробы в буфере, содержащем сильный ионный детергент (обычно додецилсульфат натрия) и агент, разрушающий четвертичную структуру белка за счёт разрушения дисульфидных мостиков между глобулами белка и внутри полипептидной цепи — бета-меркаптоэтанолом). В процессе денатурирующего ПААГ-электрофореза молекулы сохраняются в денатурированном состоянии за счёт наличия в геле хаотропных агентов (обычно мочевины) в случае ПААГ-электрофореза нуклеиновых кислот и белков и наличия ионных (например додецилсульфата натрия, цетилтриметиламмоний бромида) и неионных (например tween-20) детергентов.

§ В случае электрофореза белков в полиакриламидном геле метод обычно используют в модификации Леммли (Laemmli)^[1]

§ Также электрофорез в полиакриламидном геле применяют для разделения коротких фрагментов нуклеиновых кислот, например, ДНК-электрофорез, например, при секвенировании по Сэнгеру. Кроме этого, ПААГ-электрофорез применяют для визуализации в методах ПДРФ и ПЦР методе.

§ Различают также т. н. диск-электрофорез (от англ. discontinious), при котором в геле в процессе электрофоретического разделения белков на границе между концентрирующим и разделяющим гелями создаётся градиент pH, за счёт чего достигается лучшее разделение белковых молекул.