Chemia analityczna
Chemia analityczna zajmuje się analizą związków i mieszanin.
Analiza chemiczna może mieć trzy cele:
Chemiczna analiza ilościowa - jej celem jest ustalenie ilościowego składu substancji - np. udział procentowy poszczególnych składników w mieszaninie bądź stężenie wybranego składnika.
Chemiczna analiza jakościowa - jej celem jest ustalenie z jakich składników składa się dana substancja lub ustalenie czy dany związek chemiczny w ogóle występuje w analizowanej substancji.
Chemiczna analiza strukturalna - jej celem jest ustalenie struktury badanego związku chemicznego - składu atomów które są składnikami związku i następnie sposobu w jaki te atomy są połączone.
Chemiczna analiza ilościowa, to zespół technik umożliwiających poznanie liczbowej wartości (w odpowiednich jednostkach miary, np. w gramach, molach, valach[1] lub innych i ich (pod)wielokrotnościach) składu chemicznego badanych mieszanin związków chemicznych. Jest wiele specyficznych metod analizy ilościowej wykorzystywanych w zależności od chemicznych lub fizycznych właściwości badanych substancji
Chemiczna analiza jakościowa, to zespół technik umożliwiających poznanie składu chemicznego badanych mieszanin związków chemicznych. Zazwyczaj wykorzystuje się charakterystyczne reakcje chemiczne dla poszczególnych grup związków.
Chemiczną analizę jakościową można podzielić na:
Chemiczna analiza jakościowa związków nieorganicznych
Klasyczna chemiczna analiza jakościowa związków nieorganicznych to przede wszystkim analiza jonów występujących w roztworze. Do roztworu dodaje się różnych odczynników i obserwuje się zmiany koloru roztworu, wytrącanie osadów, oraz inne charakterystyczne reakcje, które świadczą o obecności pewnych jonów oraz grup jonów. W skład klasycznej analizy jakościowej wchodzi też barwienie płomienia palnika. Różne jony barwią płomień na różne i zwykle łatwo rozróżnialne kolory.
Ze względu na właściwości jony zostały pogrupowane. Zwykle najpierw określa się występowanie w roztworze jonów danej grupy, a dopiero po stwierdzeniu że występują przystępuje się do testów na obecność konkretnych jonów. Podziały na grupy różnią się nieznacznie u różnych autorów. Ponieważ grupy są wydzielone na podstawie zachodzących reakcji, większość rzadziej występujących jonów można z łatwością przyporządkować do którejś z istniejących grup po przeprowadzeniu zaledwie kilku reakcji.
Chemiczna analiza strukturalna - zespół technik umożliwiających dokładne ustalenie struktury chemicznej czystych związków.
Analizę tę przeprowadza się zwykle w przypadku syntezy nowych związków chemicznych, celem ustalenie ich budowy i udowodnienia że badana reakcja chemiczna doprowadziła do porządnych skutków.
Znacznie rzadziej stosuje się te techniki aby analizować próbki substancji nieznanego pochodzenia, w tym przypadku techniki analizy strukturalnej są stosowane wspólnie z technikami analizy ilościowej i jakościowej.
Najdokładniejszym rodzajem analizy strukturalnej jest analiza widmowa, do której zalicza się m.in:
NMR (spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego)
Miareczkowanie - chemiczna technika analizy ilościowej polegająca na dodawaniu roztworu - tzw. titranta z biurety w postaci kropel do roztworu zwanego analitem.
W trakcie miareczkowania titrant powinien reagować szybko i ilościowo z analitem, powodując zmiany określonych własności fizycznych analitu. Może to być np: zmiana barwy, zmiana przewodnictwa elektrycznego i wiele innych. Pomiar objętości wkroplonego titrantu, połączony z pomiarem lub obserwacją zmiany fizycznych własności analitu, umożliwia określenie dokładnego stężenia określonego związku chemicznego w analicie.
Reakcja stosowana przy miareczkowaniu powinna:
przebiegać szybko i ilościowo zgodnie z określonym, dobrze znanym równaniem
wprowadzany odczynnik nie może wchodzić w reakcję z innymi substancjami występującymi w roztworze
posiadać odpowiedni wskaźnik umożliwiający określenie końca miareczkowania.
Układy dyspersyjne – są to układy złożone z co najmniej dwóch substancji. Jedna z nich stanowi ośrodek rozpraszający, czyli jest środowiskiem, w którym znajduje się substancja rozproszona. W zależności od stanu skupienia środowiska i substancji rozproszonej może istnieć dziewięć układów dyspersyjnych:
Gaz w gazie
Ciecz w gazie
Gaz w cieczy
Ciało stałe w gazie
Ciecz w cieczy
Ciało stałe w cieczy
Gaz w ciele stałym
Ciecz w ciele stałym
Ciało stałe w ciele stałym (roztwór stały)
Zawiesina- suspensja, jest to mieszanina (układ heterogeniczny) ciało stałe-ciecz, w którym cząstki fazy rozproszonej mają średnicę powyżej 0,1 µm. W zależności od średnicy cząstki te mogą być widoczne pod mikroskopem i ulegać sedymentacji w ziemskim polu grawitacyjnym. Składniki zawiesiny można rozdzielić na sączku z bibuły filtracyjnej. Przykładem zawiesiny może być mąka lub kreda w wodzie.
Roztwór właściwy- jest całkowicie jednorodny tzn. że dla objętości kilkakrotnie większych od wielkości cząsteczek, każda porcja zawiera taki sam skład ilościowy cząsteczek.
Roztwór koloidalny- niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona w drugiej. Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek.
Roztwory właściwe
Roztwory właściwe są to jednorodne układy doskonale zmieszanych ze sobą cząsteczek ośrodka rozpraszającego i cząsteczek substancji rozproszonej. W roztworach właściwych zachodzi dokładnie wzajemne przenikanie się rozpuszczalnika i ciała rozpuszczonego, przy czym za rozpuszczalnik przyjmujemy substancję, która zachowuje swój pierwotny stan skupienia. W przypadku, gdy obie substancje znajdują się w tym samym stanie skupienia za rozpuszczalnik przyjmujemy składnik występujący w większej ilości.
Procesy dyfuzji cząsteczek w cieczach zachodzą wolniej niż w gazach, lecz dzięki nim w całej objętości cieczy istnieje jednakowe stężenie ciała rozproszonego.
Rozpuszczalność
Rozpuszczalność można zdefiniować jako ilość substancji tworzącej roztwór nasycony w określonej ilości (najczęściej w 100 g) rozpuszczalnika w określonej temperaturze i ciśnieniu. Rozpuszczalność określa się w tych samych jednostkach jak stężenie, podając dodatkowo warunki, dla jakich została ona ustalona (zwykle są to tzw. warunki normalne).
Rozpuszczalność substancji zależy od:
rodzaju substancji rozpuszczanej
rodzaju rozpuszczalnika
wpływu wspólnego jonu
kompleksowania (np. wpływ pH na rozpuszczalność substancji amfoterycznych)
siły jonowej
innych czynników (np., wielkość kryształów)
Rozpuszczalniki polarne (np. woda) mają tendencje do lepszego rozpuszczania substancji polarnych lub jonowych (hydrofilowych, zaś niepolarne (np. tłuszcz lub toluen) rozpuszczają lepiej substancje niepolarne (lipofilowe). Często podawane jest to jako reguła "podobne rozpuszcza podobne". Jest to czasem podstawą klasyfikacji substancji (np. podział witamin na rozpuszczalne w wodzie i rozpuszczalne w tłuszczach). Reguła ta jest też podstawą mechanizmu działania detergentów.
Ze wzrostem temperatury, rozpuszczalność najczęściej rośnie dla cieczy i ciał stałych, zaś maleje dla gazów ale znanych jest wiele wyjątków od tej reguły (np. rozpuszczalność siarczanu wapnia w wodzie maleje ze wzrostem temperatury)
Efekt ciśnienia na rozpuszczalność faz skondensowanych (ciecze, ciała stałe) jest stosunkowo niewielki i przeważnie ignorowany w praktyce.
Wyrażanie stężeń roztworów
Większość odczynników chemicznych stosuję się laboratorium analitycznym w postaci roztworów. Można je podzielić na roztwory o dokładnie ustalonym stężeniu.
Stężeniem substancji w roztworze jest jej ilość zawarta w określonej objętości roztworu lub rozpuszczalnika.
Zgodnie z układem SI podstawową jednostką ilości jest mol. Zgodnie z przyjętą definicją „mol jest to ilość substancji, która zawiera tyle cząstek elementarnych ile ich jest w 0,012 kg węgla-12”.
Jednastką objętości w układzie SI jest metr sześcienny [m3], oraz odpowiednie jednostki mniejsze, dm3 i cm3.
Z dwu podstawowych jednostek substancji: ilości substancji i objętości tworzy się podstawową jednostkę stężenia roztworu, wyrażającą się stężeniem mola cząstek w jednym litrze roztworu.
Procent objętościowy- wyraża liczbę części objętościowych substancji zawartych w 100 częściach objętościowych roztworu. Odnosi się tylko do roztworów substancji ciekłych.
Procent masowy (wagowy)- wyraża liczbę części masowych substancji zawartych w 100 częściach masowych roztworu.
Procent masowo-objętościowy- wyraża liczbę części masowych substancji zawartych w 100 częściach objętościowych roztworu. Jest to najczęstszy sposób wyrażania stężenia procentowego substancji stałych.
Makroanaliza chemiczna, analiza chemiczna próbki o masie większej od 0,1 g (albo próbki gazowej o objętości większej od 10 cm3). Makroanaliza chemiczna obejmuje metody gramowe i decygramowe.
mezoanaliza (półmikroanaliza), analiza chem., w której masa badanej próbki wynosi 0,01–0,1 g.
Mikroanaliza chemiczna, analiza chemiczna próbki o masie od 1 do 10 mg (albo próbki gazowej o objętości od 0,1 do 1 cm3). Mikroanaliza chemiczna obejmuje metody miligramowe (tzw. mikrometody).
Do mikroanaliz zalicza się również analizę kroplową.
Procesem przeciwnym do wytrącania osadów jest ich roztwarzanie w odpowiednio dobranych rozpuszczalnikach. W laboratorium chemicznym jako rozpuszczalniki stosuje się przede wszystkim wodę i roztwory wodne innych substancji np. roztwory kwasów lub zasad.
Często zamiast słowa „roztwarzanie” zwyczajowo używa się słowa „rozpuszczanie”, chociaż jest to określenie prawidłowo użyte tylko w przypadku czysto fizycznego procesu przeprowadzania substancji stałej do roztworu. Jeżeli substancja przechodzi z fazy stałej do roztworu w wyniku reakcji chemicznej danej substancji z rozpuszczalnikiem to jest to proces roztwarzania. Mówimy więc o rozpuszczaniu cukru czy soli kuchennej w wodzie, ale o roztwarzaniu wodorotlenku żelaza w kwasie solnym czy miedzi w kwasie azotowym.