Fyzikálně-chemický výzkum jako odvětví analytické chemie je široce používán v každé oblasti lidského života. Umožňují vám studovat vlastnosti zájmové látky stanovením kvantitativní složky složek ve složení vzorku.
Výzkum látek
Vědecký výzkum je znalost předmětu nebo jevu za účelem získání systému pojmů a znalostí. Podle principu působení jsou použité metody klasifikovány do:
- empirické;
- organizational;
- interpretative;
- metody kvalitativní a kvantitativní analýzy.
Empirické výzkumné metody odrážejí zkoumaný objekt ze strany vnějších projevů a zahrnují pozorování, měření, experiment, srovnávání. Empirická studie je založena na spolehlivých faktech a nezahrnuje vytváření umělých situací pro analýzu.
Organizační metody - srovnávací, longitudinální, komplexní. První zahrnuje srovnání stavů objektu získaných v různých časech a za různých podmínek. Podélné - pozorování objektuvýzkum po dlouhou dobu. Komplexní je kombinací longitudinálních a srovnávacích metod.
Metody interpretace – genetické a strukturální. Genetická varianta zahrnuje studium vývoje objektu od okamžiku jeho výskytu. Strukturální metoda studuje a popisuje strukturu objektu.
Analytická chemie se zabývá metodami kvalitativní a kvantitativní analýzy. Chemické studie jsou zaměřeny na určení složení předmětu studia.
Metody kvantitativní analýzy
Pomocí kvantitativní analýzy v analytické chemii se určuje složení chemických sloučenin. Téměř všechny používané metody jsou založeny na studiu závislosti chemických a fyzikálních vlastností látky na jejím složení.
Kvantitativní analýza je obecná, úplná a částečná. Obecné určuje množství všech známých látek ve studovaném objektu bez ohledu na to, zda jsou ve složení přítomny či nikoli. Kompletní analýza se vyznačuje zjištěním kvantitativního složení látek obsažených ve vzorku. Částečná možnost definuje obsah pouze složek zájmu v této chemické studii.
V závislosti na metodě analýzy existují tři skupiny metod: chemické, fyzikální a fyzikálně-chemické. Všechny jsou založeny na změně fyzikálních nebo chemických vlastností látky.
Chemický výzkum
Tato metoda je zaměřena na stanovení látek v různých kvantitativně se vyskytujících chemikáliíchreakce. Ty mají vnější projevy (změna barvy, uvolňování plynu, tepla, sediment). Tato metoda je široce používána v mnoha odvětvích života moderní společnosti. Chemická výzkumná laboratoř je nutností ve farmaceutickém, petrochemickém, stavebním a mnoha dalších průmyslových odvětvích.
Existují tři typy chemického výzkumu. Gravimetrie neboli hmotnostní analýza je založena na změně kvantitativních charakteristik zkoušené látky ve vzorku. Tato možnost je jednoduchá a poskytuje přesné výsledky, ale je časově náročná. U tohoto typu chemických výzkumných metod se požadovaná látka odděluje od celkového složení ve formě sraženiny nebo plynu. Potom se převede do pevné nerozpustné fáze, zfiltruje se, promyje a suší. Po těchto postupech je součást zvážena.
Titrimetrie je volumetrická analýza. Ke studiu chemikálií dochází měřením objemu činidla, které reaguje se studovanou látkou. Jeho koncentrace je předem známa. Objem činidla se měří, když je dosaženo bodu ekvivalence. Při analýze plynu se určuje objem uvolněného nebo absorbovaného plynu.
Navíc se často používá výzkum chemických modelů. To znamená, že se vytvoří analog studovaného objektu, který je pohodlnější pro studium.
Fyzikální výzkum
Na rozdíl od chemického výzkumu založeného na provádění vhodných reakcí jsou fyzikální metody analýzy založeny na stejných vlastnostech látek. Pro jejichprovádění vyžaduje speciální zařízení. Podstatou metody je měření změn vlastností látky způsobených působením záření. Hlavními metodami fyzikálního vyšetření jsou refraktometrie, polarimetrie, fluorimetrie.
Refraktometrie se provádí pomocí refraktometru. Podstata metody je redukována na studium lomu světla procházejícího z jednoho prostředí do druhého. Změna úhlu v tomto případě závisí na vlastnostech složek média. Proto je možné identifikovat složení média a jeho strukturu.
Polarimetrie je optická výzkumná metoda, která využívá schopnost určitých látek otáčet rovinu oscilace lineárně polarizovaného světla.
Pro fluorimetrii se používají lasery a rtuťové výbojky, které vytvářejí monochromatické záření. Některé látky jsou schopny fluorescence (absorbovat a vydávat absorbované záření). Na základě intenzity fluorescence je učiněn závěr o kvantitativním stanovení látky.
Fyzikální a chemický výzkum
Fyzikálně-chemické výzkumné metody registrují změny fyzikálních vlastností látky pod vlivem různých chemických reakcí. Jsou založeny na přímé závislosti fyzikálních vlastností studovaného objektu na jeho chemickém složení. Tyto metody vyžadují použití některých měřicích přístrojů. Zpravidla se pozorování provádí pro tepelnou vodivost, elektrickou vodivost, absorpci světla, bod varu a bod tání.
Fyzikálně-chemické studie hmotyjsou široce používány díky vysoké přesnosti a rychlosti získávání výsledků. Chemické metody se v moderním světě v důsledku rozvoje IT technologií staly obtížně aplikovatelné. Fyzikálně-chemické metody se používají v potravinářském průmyslu, zemědělství, forenzní.
Jedním z hlavních rozdílů mezi fyzikálními a chemickými metodami a chemickými metodami je to, že konec reakce (bod ekvivalence) se zjišťuje pomocí měřicích přístrojů, nikoli vizuálně.
Za hlavní metody fyzikálního a chemického výzkumu jsou považovány spektrální, elektrochemické, termální a chromatografické metody.
Spektrální metody analýzy látek
Základem spektrálních metod analýzy je interakce objektu s elektromagnetickým zářením. Studuje se jejich absorpce, odraz a rozptyl. Jiný název pro metodu je optický. Jde o kombinaci kvalitativního a kvantitativního výzkumu. Spektrální analýza umožňuje vyhodnotit chemické složení, strukturu složek, magnetické pole a další vlastnosti látky.
Podstatou metody je určit rezonanční frekvence, při kterých látka reaguje na světlo. Jsou přísně individuální pro každou komponentu. Pomocí spektroskopu můžete vidět čáry na spektru a určit složky látky. Intenzita spektrálních čar dává představu o kvantitativní charakteristice. Klasifikace spektrálních metod je založena na typu spektra a účelu studie.
Emisní metodaumožňuje studovat emisní spektra a podává informace o složení látky. Pro získání dat se podrobí výboji elektrickým obloukem. Variantou této metody je plamenová fotometrie. Absorpční spektra jsou studována absorpční metodou. Výše uvedené možnosti odkazují na kvalitativní analýzu látky.
Kvantitativní spektrální analýza porovnává intenzitu spektrální čáry studovaného objektu a látku o známé koncentraci. Tyto metody zahrnují atomovou absorpci, atomovou fluorescenční a luminiscenční analýzu, turbidimetrii, nefelometrii.
Základy elektrochemické analýzy látek
Elektrochemická analýza využívá ke studiu látky elektrolýzu. Reakce se provádějí ve vodném roztoku na elektrodách. Jedna z dostupných charakteristik je třeba měřit. Studie se provádí v elektrochemické cele. Jedná se o nádobu, ve které jsou umístěny elektrolyty (látky s iontovou vodivostí), elektrody (látky s elektronovou vodivostí). Elektrody a elektrolyty se vzájemně ovlivňují. V tomto případě je proud přiváděn zvenčí.
Klasifikace elektrochemických metod
Klasifikace elektrochemických metod na základě jevů, na kterých jsou založeny fyzikální a chemické studie. Toto jsou metody s cizím potenciálem a bez něj.
Konduktometrie je analytická metoda a měří elektrickou vodivost G. Konduktometrická analýza obecně používá střídavý proud. Konduktometrická titrace – víceběžná výzkumná metoda. Tato metoda je základem pro výrobu přenosných konduktometrů používaných pro chemické studie vody.
Při provádění potenciometrie se měří EMF reverzibilního galvanického článku. Coulometrická metoda určuje množství elektřiny spotřebované při elektrolýze. Voltametrie zkoumá závislost velikosti proudu na použitém potenciálu.
Tepelné metody analýzy látek
Termální analýza je zaměřena na stanovení změny fyzikálních vlastností látky pod vlivem teploty. Tyto testovací metody se provádějí během krátké doby as malým množstvím studovaného vzorku.
Termogravimetrie je jednou z metod termické analýzy, která zohledňuje registraci změn hmotnosti předmětu vlivem teploty. Tato metoda je považována za jednu z nejpřesnějších.
Metody tepelného výzkumu navíc zahrnují kalorimetrii, která určuje tepelnou kapacitu látky, entalpymetrii, založenou na studiu tepelné kapacity. Mezi ně je třeba přiřadit také dilatometrii, která zachycuje změnu objemu vzorku pod vlivem teploty.
Chromatografické metody pro analýzu látek
Metoda chromatografie je způsob separace látek. Existuje mnoho typů chromatografie, hlavní jsou: plynová, distribuční, redoxní, srážecí, iontová.
Součástky v testovacím vzorku jsou rozděleny na pohyblivé a stacionárnífáze. V prvním případě mluvíme o kapalinách nebo plynech. Stacionární fáze je sorbent - pevná látka. Složky vzorku se pohybují v mobilní fázi podél stacionární fáze. Podle rychlosti a doby průchodu součástí poslední fází se posuzují jejich fyzikální vlastnosti.
Aplikace fyzikálních a chemických výzkumných metod
Nejdůležitější oblastí fyzikálních a chemických metod je sanitně-chemický a forenzně-chemický výzkum. Mají určité rozdíly. V prvním případě se pro hodnocení provedeného rozboru používají uznávané hygienické normy. Stanovují je ministerstva. Hygienicko-chemický průzkum se provádí postupem stanoveným epidemiologickou službou. Proces využívá environmentální modely, které napodobují vlastnosti potravinářských produktů. Také reprodukují provozní podmínky vzorku.
Forenzní chemický výzkum je zaměřen na kvantitativní detekci omamných, silných látek a jedů v lidském těle, potravinách, lécích. Vyšetření se provádí podle soudního příkazu.
