Теоретический курс по дисциплине "Аналитическая химия"

2. Иэоморфные смеси в минералах представляют собой закономерное замещение аналогичных элементов друг другом в кристаллических решетках. В этой форме моryr находиться практически все известные элементы, а для части их (Rb, Те, Pr, Nd, Еu, Gd, ТЬ, Dy, Но, Ег, Тu, Lu, Hf, Re) в литосфере она является преимущественной. Элементы, образующие изоморфные примеси, мигрируют только совместно с минералом-хозяином. Это сближает изоморфную и минеральную формы нахождения элементов. 

З. Биогенная форма – это форма нахождения элементов в животных и растительных организмах. В живых организмах выявлены уже почти все известные элементы. В растениях и животных элементы встречаются в виде сложных органических соединений. Многие металлы, реагируя с природными органическими кислотами, образуют металлоорганические или комплексные соединения. Большой материал накоплен по особенностям распределения элементов в различных частях растений и животных. Элементы находятся в водных растворах, также образуя самостоятельные минеральные виды. 

4. Водные растворы составляют отдельную оболочку Земли, называемую гидросферой. В поверхностных и подземных воды элементы могут находиться в виде ионов, молекул,  органических комплексных соединений. Основная часть элементов в связи с процессами диссоциации в растворах представлена анионами и катионами. Анионы в основном комплексные, катионы бывают связаны с молекулами воды в аквакомплексы. Распад на ионы наблюдается при растворении в воде веществ с ионной, металлической и ковалентной связью. Довольно много элементов переносится в природных водных растворах (в том числе и гидротермальных) в виде комплексных соединений с нейтральными молекулами или ионами противоположного знака. 

5. Гaзoвыe смеси составляют верхнюю оболочку Земли – атмосферу. Постоянные компоненты атмосферного воздуха - это N₂, 0_2, С0₂, Ar, Ne, Кг, Хе, Н₂, Не, СН₄, Н₂О. На газовых и нефтяных месторождениях npeобладают газы С0₂, СН₄, Ar, N₂, Не, Н_2, H₂S; на каменноугольных месторождениях - СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈, Н_2, CO₂, N₂; в водах морей и современных осадков обнаружены углеводороды, H₂S, NH₄, N₂, СО₂, благородные газы. Газы магматических пород содержат углеводороды, N₂, С0₂, Н₂, Аг; вулканические газы - HCl, S0_2, H₂S, С0₂, Н₂, Cl₂, N₂, Ar, SОз, Н₂О, СН₄, СО. Подавляющее большинство газов находится в виде молекул, однако в верхних слоях атмосферы встречаются атомы и ионы. Значительное количество газов находится в пустотах и полостях осадочных и магматических пород почв в сорбированном состоянии, в виде включений в минералах. 

6. Коллоидная и сорбированная  формы. Коллоиды широко распространены в океанических и континентальных водах, в атмосфере и на суше. 

Коллоидное состояние веществ гетерогенно, то есть в нем химические соединения находятся или в разных агрегатных состояниях, или в разных фазах, отличающихся своими физическими или химическими свойствами. При этом одна из фаз состоит из частиц размером 0,1 – 1 мкм (дисперсная фаза), распределенных в дисперсионной среде. В общем случае дисперсные фазы, как и дисперсионные среды, могут быть твердыми, жидкими и газообразными. 

Для геохимических анализов важен случай, когда дисперсная фаза твердая и представлена металлами (Au, Аg, Pt, Bi, Sn и др.), гидроксидами металлов (Fе(ОН)з, Al(ОН)з, Ti(OH)₄ и др.), оксидами (МnО₂, Si0₂ и др.), сульфидами (PbS, SЬ₂S_з, As₂S_з и др.), глинистыми минералами (галлуазит, каолинит, монтмориллонит и др.)

Твердые дисперсные фазы чрезвычайно широко распространены в атмосфере в виде аэрозолей. Из-за высокой степени дисперсности и большой суммарной поверхности дисперсной фазы коллоидные системы облaдaют повышенным запасом свободной поверхностной энергии. Ее самопроизвольное уменьшение приводит к сорбции (концентрированию веществ на поверхности paздела фаз). Аэрозоли по содержанию в них металлов можно разделить на две группы: первую – Zn > Cu > Мn > Cr > РЬ > V > Ni > Аs; и вторую – Cd > Se > Со > Hg > Sb > Sc, в которой концентрация элементов примерно на порядок ниже, чем в первой. В целом над континентами в виде аэрозолей содержатся тысячи тонн химических элементов первой группы и сотни тонн – второй. Аэрозольные съемки, относящиеся к атмохимическим поискам, активно используют в геоэкологии. 

7. Магматические расплавы – это сложные, изменчивые (в связи с изменением термодинамических условий), насыщенные газами системы. Состояние элементов в них до сих пор является плохо изученным. Магма – это расплав, состоящий из оксидов. В магме находятся также комплексы металлов, соответствующие будущим минералам. Считается, что в магме существуют два основных вида комплексов: октаэдрические группы (среди них преобладают [Mg0₆] и [СаО₆]) и тетраэдрические (преобладают [Si0₄] и [AlО₄]). Кроме них предполагается существование свободных подвижных катионов, атомов растворенных металлов, соединений типа FeS и Fе_зО₄, являющихся в какой-то мере электронными жидкостями, а также отдельных молекул (прежде всего газов). 

8. Состояние рассеяния. Оно представляет особую форму нахождения химических элементов земной коры. Предполагают, что состояние рассеяния связано с расположением инородных атомов в «пустых» пространствах кристаллических решеток химических соединений. Содержание элементов в состоянии рассеяния достигает 10^-12 – 10^-15 %, а пределом рассеяния можно считать нахождение 1 атома в 1 см^З вещества. Для ряда элементов (йода, ксенона, радона и др.) это состояние является обычным. Благоприятствует чрезвычайному рассеянию элементов атмосфера: газ, попавший в смесь других газов, полностью в ней растворяется. 

9. Техногенные соединения, не имеющие природных аналогов, чаще всего встречаются в почвах, донных отложениях и водах (объект анализа в геоэкологии). Особенно много их в энергично осваиваемых районах, к которым в первую очередь следует относить различные сельскохозяйственные угодья и участки вблизи крупных промышленных комбинатов. Рассматриваемая форма нахождения элементов включает различные искусственные полимеры, пластмассы, пестициды, гербициды, поверхностно-активные вещества, сплавы металлов, и т.д. К ней же следует относить соединения (и элементы в самородном состоянии), вообще встречающиеся в природе, но не образующиеся природным путем в тех конкретных условиях, где они были выявлены. 
 
 

5 ВИДЫ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА 

Вид химического  анализа отражает следующую информацию – зачем определяют химический состав вещества (цель анализа), что анализируют, что определяют и в каких условиях. 

Существует  несколько классификаций по различным признакам видов химического анализа вещества объекта анализа. Признаком вида может служить цель и объект химического анализа, определяемый компонент и его количество. Каждая цель анализа будет охарактеризована конкретной совокупностью видов анализа. 

1. По конечной цели анализа выделяют качественный и количественный анализ вещества объекта анализа. 

Качественный  анализ вещества объекта анализа - экспериментальное определение химической природы одного или нескольких компонентов в веществе объекта анализа. Иначе, это обнаружение и идентификация компонента в веществе объекта анализа. 

Результат качественного химического анализа – принятие решения о наличии или отсутствии искомого компонента в пробе вещества объекта анализа. 

Количественный  анализ вещества объекта анализа – экспериментальное определение содержания одного или нескольких компонентов в веществе объекта анализа. 

Результат количественного  химического анализа  – значение количества определяемого (искомого) компонента или его массы, отнесенное к единице массы (процентное содержание компонента) или отнесенное к единице объёма пробы вещества (концентрация компонента) объекта анализа.

w(А) = [m (А)/ m_вещ]×100,  %. 

С_m(А) = m(А)/V_м.к., г/дм³ 

2. По природе объекта анализа выделяют:

-- анализ  неорганического вещества объекта анализа природного или искусственного происхождения;

-- анализ  органического вещества объекта  анализа природного или искусственного  происхождения. 

3.  По агрегатному  состоянию объекта анализа выделяют:

-- анализ  твердого вещества объекта анализа;

-- анализ жидкого вещества объекта анализа;

-- анализ  газообразного вещества объекта  анализа;

-- анализ  гетерогенно-фазового вещества объекта  анализа. 

4. По структурным  образованиям химических  частиц выделяют элементный, изотопный, функциональный, молекулярный, структурно-групповой, фазовый анализ. 

Элементный анализ вещества объекта анализа - это вид анализа, в результате которого будет определено, из каких химических элементов состоит данное вещество и каково их содержание, но какова их степень окисления элемента (например, Fe²⁺ или Fe³⁺) и как элементы связаны между собой, этот вид анализа определить не позволяет. 

Изотопный анализ вещества объекта анализа - это вид анализа, в результате которого будет определено, из каких изотопов химических элементов состоит данное вещество и каково их содержание. Такие анализы проводят физики, геологи, биологи. Например, определение дейтерированной воды (D₂O) в обычной воде, а также «тяжелого» кислорода (изотоп ¹⁸О) в смеси с распространенным изотопом ¹⁶О. Для геологов изучение изотопного состава кислорода, углерода, серы, водорода, аргона, стронция, свинца и других элементов в различных природных образованиях дает ценную информацию о факторах, определяющих породо- и рудообразование. Изотопный анализ необходим также для оценки времени жизни геологических образований. 

Молекулярный  анализ вещества объекта анализа. Это вид анализа, в результате которого будет определено, из каких конкретных химических соединений состоит данное вещество и каково их содержание. Типичным примером молекулярного анализа является анализ смеси газов. Например, определение содержания в атмосферном воздухе основных компонентов – молекул газов N₂, 0_2, С0₂, Н₂, СН₄, Н₂О позволяет судить о наличии месторождения нефти или природного газа, так как на газовых и нефтяных месторождениях в атмосферном воздухе преобладают газы С0₂, СН₄, N₂, Н_2, H₂S и их соотношение иное, чем фоновое. 

Структурно-групповой  или функциональный анализ вещества объекта анализа или компонента вещества объекта анализа. Это вид анализа, в результате которого будет определено, из каких функциональных групп органических соединений, например, метильной, карбоксильной, гидроксильной, аминной и др., определяющих химические свойства органических соединений, состоит вещество объекта анализа (функциональный анализ). В этом варианте вещество объекта анализа состоит практически на 100 % из органических молекул одного наименования, например, функциональный анализ гуминовой кислоты, выделенной из пробы болотной воды. Здесь болотная вода – объект анализа, вода – вещество объекта анализа, гуминовая кислота – определяемый компонент, обнаружение наличия карбоксильной и гидроксильной функциональных групп в гуминовой кислоте и (или) их количества – это функциональный анализ компонента вещества объекта анализа. К структурно-групповому анализу вещества объекта анализа может быть отнесен вид анализа, в результате которого будет определено, каково содержание молекул, имеющих определённые функциональные группы, в веществе объекте анализа. Например, это может быть определение содержания суммы нефтепродуктов в 1 дм³ подземной воды в районе Томского подземного водозабора или суммы гуминовых кислот в 1 дм³ воды Васюганского болота. 

Фазовый анализ вещества объекта анализа. Это вид анализа гетерогенных систем,  в результате которого будет определено, сколько фаз присутствуют в веществе объекта анализа, в виде какого химического соединения и в составе какой фазы существует в образце определяемый компонент. Анализ включений в минералах – это фазовый анализ. Например, сульфид (CuS) и оксид меди (CuO) не распределены в минерале гомогенно, а образуют отдельные фазы в его объёме. 

Вещественный анализ вещества объекта анализа. Такое словосочетание противоречит нормам русского языка (масло масляное). Однако в геологической практике такой термин используется. Это вид анализа, в результате которого будут определены формы нахождения элемента, например, будет определено, в какой степени окисления – As³⁺ или As⁵⁺, присутствует элемент мышьяк в природной воде, Fe²⁺ или Fe³⁺ в руде и каково содержание этих форм. Однако по рассмотренной выше классификации видов анализа – это задачи функционального анализа. В каком химическом соединении (задача молекулярного анализа) находится элемент медь в минерале – он может быть в виде оксида (CuO), или сульфида (CuS), или соли (CuSО₄) или смеси этих соединений, распределенных равномерно или неравномерно по объёму минерала (задача фазового анализа). Вещественный анализ имеет много общего с функциональным, молекулярным и фазовым и это, скорее профессиональная, чем научно-обоснованная классификационная терминология. По крайней мере, всегда требуется дополнительно сообщить химику – аналитику, какой вид химического анализа заказывает геолог.