Аналитическая химия

1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

2.

Основная литература
• Васильев, В.П. Аналитическая химия:
учебник. В 2-х т. - М: Дрофа. 2009. - 384
с.
• Аналитическая химия и физикохимические методы анализа. В 2 т.:
учеб. для студ. учреждений высш.
проф. образования / [Н.В. Алов и др.] ;
под ред. А.А.Ищенко. — М. :
Издательский центр «Академия», 2010.
— 416 с.

3. Дополнительная литература

Авторы,
Заглавие
Издательство,
составители
год
Ярышев Н.Г.,
Физические методы исследования и их
Москва: Про-
Панкратов Д.А.,
практическое применение в химическом метей, 2012 г. ,
Токарев М.И.,
анализе [Электронный ресурс]. Режим
Камкин Н.Н.,
доступа: http://window.edu.ru/library
160 с
Родякина С.Н.
Федоров В.А.,
Аналитическая химия. Введение в
СПб.:
Комиссаренков
количественный анализ [Электронный
СПбГТУРП,
А.А.
ресурс]. Режим доступа: http:// ibooks.ru
2011
Блинов Л. Н.,
Справочник по химии [Электронный
М: Проспект,
Перфилова И. Л., ресурс]. Режим доступа: http:// ibooks.ru
Юмашева Л. В.,
2015

4.

Лекция:
Введение. Теоретические
основы аналитической химии

5.

1.Аналитическая химия
как наука

6.

Аналитическая химия —
наука о методах
определения химического
состава вещества и его
структуры.

7.

В 1993 г. на VIII Европейской
конференции по аналитической химии
было принято следующее определение:
«Аналит ическая
химия
является
научной дисциплиной, развивающей и
использующей концепции, методы и
средства получения информации о
составе и свойствах вещества в
пространстве и времени».

8.

Основоположником аналитической химии считается
англо-исландский химик Роберт Бойль - разработал
основы анализа «мокрым» путем и ввел впервые в
практику понятие «химический анализ».
Роберт Бойль
25 января 1627 года —
30 декабря 1691 года —
• англо-ирландский
натурфилософ, физик,
химик
и
богослов,
седьмой сын Ричарда
Бойля,
графа
Коркского,
вельможи
времён
Елизаветы
Английской.

9.

10.

Анализ биологических объектов
Анализ биологических объектов – это метод исследования,
направленный на определение их химического состава. По
происхождению, все биологические объекты можно разделить на
группы:
•Объекты растительного
происхождения. В эту группу относятся
растения, водоросли, мхи, лишайники.
•Биологические объекты животного
происхождения
— органы и ткани
животных, птиц, земноводных, рыб и пр.
•Биологические
объекты,
представляющие собой биологические
среды
организма
человека
или
животных. В эту группу можно включить
кровь, мочу, желчь, молоко, жир.

11.

Анализ биологических объектов также необходим, в связи с тем, что
ежегодно возрастает техногенное влияние на окружающую среду, что не
может не сказаться на всех организмах, которые в ней проживают. А это
влияет на пищевую цепочку, ухудшая качество пищи, потребляемой
всеми живыми организмами, включая человека.
Определяемые вещества, можно разделить на 2
группы:
1. Природные компоненты:
•алкалоиды;
•антивитамины;
•алкоголь;
•различные биогенные амины, угнетающие
усвоение минеральных веществ;
•гликозиды и пр.

12.

2. Вещества не природного происхождения:
- тяжелые металлы (ртуть, свинец, хром, кадмий,
кобальт, олово, никель);
- соли, применяющиеся в сельском хозяйстве
(нитриты, нитраты);
- пестициды и продукты их метаболизма;
- соли и органические вещества (нитраты, нитриты,
ароматические соединения,
- сельскохозяйственные стимуляторы роста для
животных и растений и прочее);
- и др.

13.

2.
Классификация
методов
анализа.
Качественный
и
количественный анализ

14. Классификация методов анализа 1. В зависимости от цели анализа различают:

• Качественный
анализ —
совокупность
методов,
применяемых для
обнаружения и
идентификации
компонентов
анализируемого
образца.
• Количественный
анализ
—
совокупность
методов,
применяемых
для
определения
концентраций
или
масс
компонентов
анализируемого
образца.

15.

2. В зависимости от исследуемых
свойств объекта методы анализа
подразделяют на:
- химические
- физические
- физико-химические
- биологические

16.

• Химические методы основаны на
химических превращениях исследуемого
вещества, протекающих с образованием или
участием малорастворимых соединений,
слабых
электролитов,
окрашенных
комплексов или газообразных веществ.

17. химические методы:

Титриметрические методы –
измерение объема раствора реактива
известной концентрации, расходуемого
для
реакции
с
определяемым
веществом.
Гравиметрические методы –
измерение
массы
определяемого
компонента, выделенного в виде
соединения определённого состава.

18.

• Физические
методы
основаны
на
измерении
каких-либо
физических
характеристик вещества с
помощью
специальных
приборов

19.

• Физико-химические методы
основаны на изменении
физических свойств исследуемой
системы (потенциала, тока,
количества электричества,
интенсивности излучения света
или его поглощения и т. д.) при
проведении химической реакции.

20.

Обычно физические и физико-химические методы
объединяют под общим названием инструментальные
методы.
Инструментальные методы:
Электрохимические методы – основаны на
электрохимических явлениях, происходящих в
исследуемой среде или на границе раздела фаз.
Спектральные методы – основаны на
взаимодействии анализируемого вещества с
электромагнитным излучением.
Хроматографические методы – основаны на
разделения веществ путем распределения
компонентов между двумя фазами – подвижной и
неподвижной.

21.

• Биологические методы
анализа, основаны на
исследовании отклика живых
организмов на изменения в
окружающей среде.

22. 3. В зависимости от массы пробы:

Макроанализ (>> 0,10г),
Полумикроанализ (0,10 – 0,01г),
Микроанализ (0,01 – 10−6 г),
Ультрамикроанализ (< 10−6 г ).

23.

3. Выбор метода анализа

24. Критерии выбора метода анализа:

• Содержание компонента. При выборе
метода
оцениваются
ожидаемое
процентное содержание в образце, его
концентрация в анализируемом растворе
и количество вещества, которое может
быть взято на анализ.
• Чувствительность метода определяется
минимальным количеством вещества,
которое
можно
определять
или
обнаруживать данным методом.

25.

• Избирательность (селективность) метода.
Зная химические свойства образца,
выбирают наиболее избирательный метод
анализа, т.е. метод, с помощью которого в
данных условиях можно определить
нужные компоненты без помех со стороны
других
присутствующих
компонентов.
Метод называют специфичным, если он
позволяет обнаруживать или определять
один компонент в сложной смеси.

26.

• Точность анализа – характеристика
метода, отражающая его правильность
и воспроизводимость. Точность также
характеризуют
относительной
погрешностью (ошибкой) измерений.
• Экспрессность метода - быстрота
проведения анализа.

27.

• 4. Аналитический
процесс и его стадии

28.

• Аналитический процесс – процесс получения и
переработки информации о химическом
составе вещества.
• Принцип анализа – это явление, свойство или
закономерность, положенное в основу метода
анализа вещества.
• Метод анализа – универсальный и
теоретически обоснованный способ получения
информации о химическом составе вещества
на основе некоторых принципов.
• Методика анализа – подробное описание
правил и операций определения состава
конкретного объекта с использованием
выбранных методов (методика включает в себя
сумму тактических шагов).

29.

30.

1 стадия - Пробоотбор – процедура, заключающаяся в
отборе части вещества или материала с целью
формирования пробы.
Проба - отобранная для анализа часть объекта исследования
(анализируемого образца).
Небольшая часть анализируемого объекта, средний состав и
свойства которой считаются идентичными среднему составу
и свойствам анализируемого объекта, называется средней
(представительной) пробой.

31.

Виды проб:
- точечная проба – количество вещества/материала,
которое отбирается от объекта за одну операцию
пробоотбора; это проба, которая отбирается
непосредственно из объекта;
- генеральная (объединенная) проба – проба,
получаемая
объединением
точечных
проб,
отобранных от одного материала (партии). Она
может быть достаточно большой: как правило, от 1
до 50 кг;
- лабораторная проба – сокращенная генеральная
проба, масса которой, обычно, составляет от 25 г до
1 кг;
- аналитическая проба (проба для анализа) –
сокращенная
лабораторная
проба,
которую
полностью и единовременно используют для
проведения анализа.

32.

Величина анализируемой пробы зависит от содержания в ней
определяемого компонента и диапазона определяемых содержаний
используемой методики анализа.

33. Отбор пробы

Отбор пробы газов.
Отбор пробы жидкостей.
Отбор пробы твердых веществ.
Величина генеральной пробы твёрдого
вещества зависит от неоднородности образца
и размера частиц.
Масса генеральной пробы твёрдого вещества
оценивается по формуле Ричердса-Чеччота.

34.

Специальные пробоотборные
устройства – батометры – для отбора
проб на разной глубине.
Это цилиндр с крышками, его
погружают в поток на стержне или
цепи с нанесенными метками,
отвечающими заданной глубине,
затем крышки закрывают и сосуд с
пробой поднимают на поверхность
34

35. Отбор проб сыпучих веществ

ОТБОР ПРОБ СЫПУЧИХ ВЕЩЕСТВ
Для отбора проб на разной глубине используют
щупы
35

36.

Особенности отбора проб растительных объектов
При отборе проб растений в агро- и биоценозе основная цель - средняя
проба растений, которая должна наиболее полно отражать
биологическое состояние растений, т.е. быть репрезентативной для
поля, опытной делянки, выбранной площадки, вегетационного сосуда.
Чтобы средняя проба отражала статус всей совокупности растений,
учитывают макро- и микрорельеф, гидротермические условия,
равномерность и густоту стояния растений, их биологические
особенности.
Растительные пробы отбираются в
сухую погоду, в утренние часы,
после
высыхания
росы.
При
изучении
процессов
обмена
веществ в растениях в динамике эти
часы соблюдаются в течение всего
вегетационного периода.

37.

Для культур сплошного сева (пшеница, овёс, ячмень, злаковые культуры,
травы и др.) на опытном участке выделяются равномерно 5-6 площадок
размером 0.25-1.00 м2, растения с площадки скашиваются на высоте 3-5
см. Общий объём взятого материала составляет объединенную пробу.
После тщательного усреднения этой пробы отбирают средний образец
массой 1 кг.
Проводят взвешивание средней пробы, а затем разбор по ботаническому
составу, учёт сорняков, больных растений, которые исключают из состава
пробы. Проводят также разделение растений на органы с весовым
учётом в пробе листьев, стеблей, початков, цветов, колосьев. Молодые
растения от всходов до кущения обычно не дифференцируют по органам
и фиксируют целиком.
В вегетационных сосудах пробы
этих
растений
отбираются
следующим образом: из каждого
сосуда берётся равное количество
растений или из 2-3 сосудов каждого
варианта
растения
срезаются
полностью.
Первый
приём
используют чаще.

38. Получение лабораторной пробы

Отобранную генеральную пробу подвергают усреднению, которое
подразумевает гомогенизацию и сокращение. Известно множество
способов сокращения массы пробы, например, квартование.
1 - перемешанная куча;
2 - расплющивание кучи;
3 - расплющенная куча;
4 - куча, разделенная на секторы
Потери определяемого вещества и загрязнения пробы в процессе её отбора и
хранения обусловлено:
• потерями компонентов в виде пыли;
• потерями летучих веществ;
• взаимодействием компонентов пробы с кислородом воздуха,
• материалом посуды;
• адсорбцией компонентов пробы на поверхности посуды.

39.

2 стадия - Пробоподготовка – совокупность процедур,
проводимых с целью подготовки пробы к анализу.
Процедура пробоподготовки обычно состоит из двух
частей:
1.
Предварительная
стадия
– получение пробы
определенной массы и однородности. Основные
операции: высушивание; измельчение, смешивание,
гомогенизация и т.п.
2. Окончательная стадия – переведение пробы в
удобную для проведения измерений форму. Основные
операции – растворение, вскрытие (разложение) пробы,
разбавление, минерализация и др.
Вскрытие пробы – это перевод в раствор всех определяемых компонентов пробы, не
допуская их потерь за счет уноса при нагревании или выполнении других операций,
связанных с растворением.

40.

3 стадия – Измерение аналитического сигнала
Под аналитическим сигналом понимают сигнал,
функционально связанный с химическим составом
анализируемого вещества, и измеряемый в ходе
выполнения методики анализа.
Результатом измерительного процесса в ходе
анализа является значение аналитического
сигнала .
4 стадия - обработка результатов измерения
Получение значения определяемой величины
Это заключительная аналитическая стадия, ее
осуществляют, рассчитывая значения концентрации
искомого компонента и погрешности (ошибки)
измерений.

41.

Вопрос для самостоятельного изучения:
Особенности
пробоотбора
и
проподготовки
при
работе
с
биологическими образцами.

42.

5. Погрешность измерения

43.

Погрешностью измерений ( Х)
называют отклонение результата
измерений
от
действительного
(истинного) значения измеряемой
величины.

44.

Абсолютную погрешность анализа
Δхi вычисляют из соотношения:
Δхi = хi– μ,
где хi – результат анализа;
μ – истинное содержание
анализируемого компонента.

45.

Относительная погрешность –
представляет собой отношение
абсолютной погрешности измерения к
истинному значению измеряемой
величины.
Выражают ее в долях единицы или
(чаще) в процентах:

46.

В практических расчетах вместо
истинного используют так называемое
действительное содержание, равное
среднему арифметическому нескольких
параллельных определений.

47.

По характеру причин, вызывающих погрешности,
их делят на:
Систематическая погрешность - погрешность
измерения, которая при повторном измерении
остается постоянной.
Случайная
погрешность
–
погрешность
измерения, которая при повторных измерениях
изменяется случайным образом.

48.

Грубая погрешность измерения – погрешность
измерения, существенно превышающая ожидаемую
при данных условиях погрешность.
Промах – вид грубой погрешности, зависящий от
наблюдателя
и
связанный
с
неправильным
обращением со средствами измерения, неверным
отсчетом показателей, ошибками при записи
результатов, некомпетентностью и т.д.
Перед вычислением среднего арифметического
значения измерений исключают промахи.

49.

Результаты измерений характеризуют также с помощью
показателей
–
сходимость,
воспроизводимость,
правильность и точность.
Сходимость
(повторяемость) – характеристика
результата анализа, определяемая близостью результатов,
выполненных в одинаковых условиях (при помощи одной и
той же методики анализа, в одной лаборатории, одним
оператором, на одном оборудовании в течение короткого
промежутка времени).
Воспроизводимость
– характеристика результата
анализа,
определяемая
близостью
результатов,
выполненного по одной и той же методике анализа, но в
разных
лабораториях,
разными
операторами,
с
использованием различных экземпляров оборудования в
течение достаточно длительного промежутка времени.

50.

Правильность измерений - качество
измерений, отражающее близость к
нулю систематических погрешностей.
Точность
измерений
качество
измерений, отражающее близость их
результатов к истинному значению
измеряемой величины. Обобщающее
понятие, характеризует близость к нулю
как систематической, так и случайной
погрешности.

51.

В соответствии с требованиями стандартов результат
анализа, включающий n измерений, должен быть
представлен в следующем виде:
- символ параметра;
- математическое ожидание параметра (среднее
значение определяемой величины – Xср.);
- величина доверительного интервала в абсолютном (ε)
или относительном виде ( Х%), характеризующая
случайную погрешность;
- размерность параметра.
-
Например: С (Pb) = 0,032 0,002 мг/кг

52.

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
результатов анализа
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА результатов анализа
позволяет существенно уменьшить влияние случайных ошибок
на результат измерения. Она позволяет представить результаты
многих определений в компактной форме и оценить надежность
полученных результатов, т.е. степень их соответствия истинному
содержанию элемента в образе.

53.

Общепринятой является следующая методика
статистической обработки результатов анализа:
1) расчет среднего арифметического значения
определяемой величины (Хi ср.):
Х i ср. = Σ Хi / n,
где n – число измерений;
2) расчет отклонения отдельных измерений от
среднего значения (di):
di = Xi – Xi
ср.

54.

3) расчет стандартного отклонения или средней
квадратической ошибки (s):
s
2
d
2
i
nf
где f = n – 1 – число степеней свободы;

55.

4) расчет доверительного интервала результата
среднего
отклонения
(предел
допускаемой
погрешности)
(εα), являющегося максимальной
случайной ошибкой определения. Сущность этого
понятия состоит в том, что при некоторой заданной
вероятности и заданном числе степеней свободы f
результат отдельного измерения Х попадает в интервал
Хср. ± ts.
Доверительный интервал рассчитывается по формуле:
где t – критерий Стьюдента

56.

Значения критерия Стьюдента
при различных p и f
f=n–1
1
2
3
4
5
0,9
6,31
2,92
2,35
2,13
2,01
p
0,95
12,71
4,30
3,18
2,78
2,57
0,99
63,66
9,92
5,84
4,60
4,03
р - доверительная вероятность (задается
условием расчета)

57.

Границы, внутри которых может заключаться
каждая определяемая величина Х (границы
доверительного интервала), определяются формулой: