4.4 Физико-химические методы анализа вещественного состава
При физико-химических методах анализа (как и при физических) применяется более или менее сложная аппаратура для измерения оптических, электрических и других свойств вещества. Главная особенность заключается в том, что физико-химические методы (в отличие от физических) основаны на химических реакциях.
Наиболее широко применяются две группы аппаратурных методов: оптические и электрохимические.Из оптических методов наиболее распространены спектральный, фотометрический и люминесцентный анализы.
Спектральный анализ
Спектральным называют метод, основанный на изучении спектров. Для возбуждения спектров чаще всего применяют электрическую искру или дугу, а также газовое пламя. В дуговом, искровом, а иногда и пламенном спектральном анализе применяют такие типы приборов:
стилоскопы - визуальные приборы для качественного и полуколичественного анализа;
обычные спектрографы, которые фиксируют спектр на фотопластинке; после чего фотопластинки проявляют и с помощью микрофотометра измеряют интенсивность почернения линий;
приборы с фотоэлектрическим устройством (например, квантометром), где интенсивность линий, выпускаемых пламенем при сжигании пробы, измеряются с помощью фотоэлемента или электронного фотоумножителя.
Эмиссионный спектральный анализ применяется, главным образом, для текущего контроля стандартной продукции на металлургических предприятиях, а также для анализа различных проб при геологических исследованиях. Основная особенность спектрального анализа заключается в том, что можно быстро и без предварительной подготовки получить результаты одновременно нескольких элементов. Обычно этот метод применяется для определения содержания в материале примесей от 0,001 до 1%.
Фотометрический анализ
При фотометрическом анализе исследуемое вещество переводят в окрашенное соединение, после чего измеряют светопоглощение раствора.
В зависимости от способа измерения светопоглощения различают несколько методов фотометрического анализа. Визуальное сравнение интенсивности окраски по отношению к известному стандарту называют калориметрическим анализом. Если для измерения светопоглощения применяют фотоэлемент со светофильтром, то прибор называют фотометром или электрофотокалориметром, а метод анализа - фотометрическим. Наиболее точные результаты, особенно при анализе сложных смесей, получают на спектрофотометрах, когда светопоглощение можно измерять в узкой области спектра. Такой метод называется спектрофотометрическим.Основные области применения фотометрического анализа такие же, что и спектрального: определение содержания в разных и природных материалах примесей от 0,001 до 1%. Однако, фотометрический метод по сравнению со спектральным анализом позволяет определить большее количество элементов при большей точности результатов измерений.
Люминесцентный анализ
Люминесцентный анализ по характеру, а нередко и по ходу химических операций, близок к фотометрическому. Исследуемый компонент с помощью определённой химической реакции переводится в химическое соединение, которое способно к люминесценции. Для определения количества продукта реакции, способного к люминесценции, раствор освещают ультрафиолетовым (или коротковолновым видимым) светом, после чего возникающее длинноволновое свечение измеряется визуально или фотометрически.
Люминесцентный анализ близок к фотометрическому также по отраслям применения и отличается более высокой чувствительностью.
Электрохимические методы анализа
Электрохимические методы основаны на взаимодействии вещества с электрическим током. Различают следующие методы количественного электрохимического анализа.
Электровесовой анализ. Исследуемый элемент выделяют электролизом, чаще всего осаждением на катоде, после чего электрод взвешивают. Метод применяют, главным образом, для определения некоторых основных компонентов сплавов, цветных металлов. Метод характеризуется высокой точностью, однако для полного осаждения необходимо длительное время.
Потенциометрическое титрование. Метод основан на титровании с применением специально подобранного индикаторного электрода. Этот метод применяется для анализа окрашенных или мутных растворов, для анализа смесей нескольких близких по свойствам компонентов. Методика позволяет автоматизировать титрование.
Кондуктометрическое титрование. Метод основан на титровании, окончание которого определяют по перегибам кривой зависимости электропроводности от количества добавленного титрованного рабочего раствора. Значительным препятствием для применения метода является присутствие посторонних электролитов, которые увеличивают фон проводимости, уменьшает чувствительность и точность метода.
Полярографический анализ. Для определения металлов в раствор погружают два электрода. Обычно берут анод с постоянным потенциалом и большой поверхностью, а катод с малой поверхностью (чаще всего - капля ртути, вытекающая из капилляра). Постепенно увеличивают напряжение на электродах. При этом сначала ток почти не идёт, потом начинается электровыделение металла и ток с напряжением растёт. Однако, увеличение тока продолжается только до определённого предела и зависит от концентрации определяемых ионов. Итак, предельный ток позволяет рассчитать концентрацию иона металла. Метод применяется, главным образом, для определения микроколичеств цветных металлов при анализе руд и сплавов.
Амперметрическое титрование. Индикаторным электродом при данном титровании служит полярографический прибор. Это титрование можно рассматривать так же, как вариант потенциометрического титрования, которое отличается тем, что применяется микроэлектрод с наложенным напряжением. Метод применяется обычно в тех случаях, когда трудно подобрать подходящий индикаторный электрод для потенциометрического титрования.
Кулонометрическое титрование. Метод основан на измерении количества электрического тока, который расходуется на реакцию с исследуемым компонентом. При этом методе измеряемое вещество прямо или косвенно участвует в электродной реакции. О количестве вещества судят по количеству затраченного электрического тока. Главная трудность состоит в том, чтобы предотвратить побочных реакций не электродах. Метод применяют для определения микроколичеств компонентов, которые восстанавливаются или окисляются.