Физический анализ

Физические методы анализа: виды, свойства группы и характеристика измерений

Физический анализ

В настоящее время есть много специалистов, посвятивших себя физическим или химическим наукам, а иногда сразу и тому и другому. Действительно, большинство явлений можно логически объяснить именно посредством таких опытов. Физические методы исследования рассмотрим поподробнее.

Методы анализа в аналитической химии

Аналитическая химия – наука об обнаружении, разделении и определении химических веществ.

Для проведения тех или иных операций с соединениями используются химический, физический и физико-химический методы анализа.

Последний метод еще называют инструментальным, так как для его применения необходима современная лабораторная аппаратура. Он подразделяется на спектроскопические, ядерно-физические и радиохимические группы.

Кроме того, в химии могут быть задачи разного типа, требующие индивидуальных способов решения. В зависимости от этого существуют методы качественного (определение названия и формы вещества) и количественного (определение того, сколько данного вещества содержится в аликвоте или навеске) анализа.

Методы количественного анализа

Они позволяют определить содержание исходного вещества в образце. Всего различают химический, физико-химический и физический методы количественного анализа.

Химические методы количественного анализа

Они подразделяются на:

  1. Весовой анализ, позволяющий определить содержание вещества посредством взвешивания на аналитических весах и проведения дальнейших операций.
  2. Объемный анализ, который подразумевает измерение объема веществ в разных агрегатных состояниях или растворах.

В свою очередь он делится на следующие подразделы:

  • объемный титриметрический анализ применяется при известной концентрации реактива, на реакцию с которым расходуют искомое вещество, а затем измеряют затраченный объем;
  • объемный газовый метод заключается в том, чтобы проанализировать газовые смеси, где исходное вещество поглощается другим.
  • объемный седиментационный (с латинского sedimentum – “оседание”) основан на расслоении дисперсной системой в результате действия силы тяжести. Это сопровождается выпадением осадка, объем которого измеряют с помощью центрифужной пробирки.

Химические методы не всегда удобны для использования, так как очень часто необходимо разделить смесь, чтобы выделить нужный компонент. Чтобы проделать такую операцию без использования химических реакций, применяют физические методы анализа. А для наблюдения за изменением физических свойств соединения в результате проведения реакций – физико-химические.

Физические методы количественного анализа

Их применяют во время многих лабораторных исследований. К физическим методам анализа относятся:

  1. Спектроскопический – основан на взаимодействии атомов, молекул, ионов исследуемого соединения с электромагнитным излучением, в результате которого поглощаются или выделяются фотоны.
  2. Ядерно-физический метод состоит в воздействии на образец изучаемого вещества потоком нейтронов, изучая которые после опыта, можно определить количественное содержание содержащихся в пробе элементов посредством измерения радиоактивного излучения. Это работает потому, что величина активности частиц прямо пропорциональна концентрации изучаемого элемента.
  3. Радиохимический метод заключается в определении содержания в веществе радиоактивных изотопов, образовавшихся в результате превращений.

Так как эти методы являются всего лишь частью физических методов анализа вещества, то они также подразделяются на спектроскопический, ядерно-физический и радиохимический способы исследования.

Методы качественного анализа

В аналитической химии для того чтобы изучить свойства вещества, определить его физическое состояние, цвет, вкус, запах, применяют методы качественного анализа, которые, в свою очередь, подразделяются на те же химические, физические и физико-химические (инструментальные). Причем предпочтительными являются в аналитической химии физические методы анализа.

Химические методы проводятся двумя путями: реакциями в растворах и реакциями сухим путем.

Реакции мокрым путем

Протекания реакций в растворах имеет некоторые условия, одно или несколько из которых должны обязательно выполняться:

  1. Образование нерастворимого осадка.
  2. Изменение окраски раствора.
  3. Выделение газообразного вещества.

Образование осадка может происходить, например, в результате взаимодействия хлорида бария (BaCl2) и серной кислоты (H2SO4).

Продуктами реакции будут хлороводородная кислота (HCl) и нерастворимый в воде осадок белого цвета – сульфат бария (BaSO4). Тогда необходимое условие протекания химической реакции будет выполняться.

Иногда продуктами реакции могут быть пара веществ, которую необходимо разделить посредством фильтрования.

Изменение цвета раствора в результате химического взаимодействия является очень важным признаком анализа. Чаще всего это наблюдается при работе с окислительно-восстановительными процессами или при использовании индикаторов в процессе кислотно-основного титрования.

К веществам, которые могут окрасить раствор с соответствующий цвет, относятся: тиоционат калия KSCN (его взаимодействие с солями железа III сопровождается кроваво-красным окрашиванием раствора), хлористое железо (при взаимодействии его с хлорной водой слабо-зеленый цвет раствора переходит в желтый), дихромат калия (при восстановлении и под действием серной кислоты переходит из оранжевой окраски в темно-зеленую) и другие.

Реакции, протекающие с выделением газа, не являются основными и используются в редких случаях. Чаще всего в лабораториях получают углекислый газ CO2.

Реакции сухим путем

Такие взаимодействия производятся для определения содержания примесей в анализируемом веществе, при исследовании минералов, и состоит оно из нескольких этапов:

  1. Испытание на плавкость.
  2. Испытание на окрашивание пламени.
  3. Испытание на летучесть.
  4. Способность к окислительно-восстановительным реакциям.

Обычно на способность к плавлению проверяют минеральные вещества, предварительно нагревая небольшой их образец над газовой горелкой и под лупой наблюдая закругления его краев.

Чтобы проверить, насколько проба способна окрашивать пламя, ее вносят на проволоке из платины сначала в основание пламени, а потом в место, нагретое больше всего.

Летучесть образца проверяют в пробирном цилиндре, который нагревают после введения исследуемого элемента.

Реакции окислительно-восстановительных процессов чаще всего проводят в сухих шариках сплавленной буры, в которые и помещают образец, а затем подвергают его нагреванию. Существуют и другие способы проведения данной реакции: накаливание в трубке из стекла со щелочными металлами – Na, K, простым нагреванием или нагреванием на древесном угле и так далее.

Использование химических индикаторов

Иногда в методах химического анализа используются различные индикаторы, которые помогают определить pH среды вещества. К наиболее часто используемым относятся:

  1. Лакмус. В кислой среде индикаторная лакмусовая бумага приобретает красный цвет, а в щелочной – синий.
  2. Метилоранж. При воздействии на него кислым ионом розовеет, щелочным – желтеет.
  3. Фенолфталеин. В щелочной среде характерным для него является красная окраска, а в кислой – не имеет цвета.
  4. Куркумин. Используется реже остальных индикаторов. Приобретает бурый цвет под воздействием щелочей и желтый – под воздействием кислот.

В настоящее время они часто используются как в промышленных, так и в лабораторных исследованиях. Примерами физических методов анализа являются:

  1. Спектральный, речь о котором уже шла выше. Он, в свою очередь, подразделяется на эмиссионные и абсорбционные способы. В зависимости от аналитического сигнала частиц различают атомную и молекулярную спектропию. Во время эмиссии образец выделяет кванты, а при абсорбции фотоны, излучаемые пробой, выборочно поглощаются мелкими частицами – атомами и молекулами. В данном химическом методе используются такие виды излучения, как ультрафиолетовое (УФ) с длиной волны 200-400 нм, видимое с длиной волны 400-800 нм и инфракрасное (ИК) с длиной волны 800-40000 нм. Такие области излучений по-другому называют «оптическим диапазоном».
  2. Люминесцентный (флуоресцентный) метод состоит в наблюдении излучения света изучаемым веществом вследствие действия на них ультрафиолетовых лучей. Исследуемой пробой может быть органическое или минеральное соединение, а также некоторые медицинские препараты. При действии на него УФ излучениями атомы этого вещества переходят в возбужденное состояние, характеризующееся внушительным запасом энергии. При переходе в нормальное состояние вещество люминесцирует из-за остаточного количества энергии.
  3. Рентгеноструктурный анализ осуществляется, как правило, с помощью рентгеновских лучей. Их применяют для определения размеров атомов и то, как они расположены относительно других молекул пробы. Таким образом находится кристаллическая решетка, состав образца, а также наличие примесей в некоторых случаях. В этом методе используется малое количество анализируемого вещества без применения химических реакций.
  4. Масс-спектрометрический способ. Иногда бывает, что электромагнитное поле не пропускает через себя те или иные ионизированные частицы из-за слишком большой разницы в соотношении массы и заряда. Для того чтобы их определить, необходим данный физический метод анализа.

Таким образом, эти методы пользуются большим спросом, по сравнению с обычными химическими, потому что они имеют ряд преимуществ. Однако сочетание химических и физических методов анализа в аналитической химии дает куда лучший и точный результат исследования.

Физико-химические (инструментальные) методы качественного анализа

К ним относятся следующие категории:

  1. Электрохимические методы, которые заключаются в измерении электродвижущих сил гальванических элементов (потенциометрия) и электропроводности растворов (кондуктометрия), а также в исследовании движения и покоя химических процессов (полярография).
  2. Эмиссионный спектральный анализ, суть которого заключается в определении интенсивности электромагнитного излучения по шкале частот.
  3. Фотометрический метод.
  4. Рентгеноспектральный анализ в результате которого исследуются спектры рентгеновских лучей, прошедших через образец.
  5. Метод измерения радиоактивности.
  6. Хроматографический способ основан многоразовом взаимодействии сорбции и десорбции вещества, когда оно движется вдоль неподвижного сорбента.

Следует знать, что в основном физико-химические и физические методы анализа в химии объединяют в одну группу, поэтому при отдельном их рассмотрении они имеют много схожего.

Физико-химические методы разделения веществ

Очень часто в лабораториях возникают такие ситуации, когда невозможно извлечь требуемое вещество без отделения его от другого. В таких случаях используются методы разделения веществ, к которым относятся:

  1. Экстракция – способ, с помощью которого необходимое вещество извлекают из раствора или смеси посредством экстрагента (соответствующего растворителя).
  2. Хроматография. Этот метод используют не только для анализа, но и для разделения компонентов, которые находятся в подвижной и неподвижной фазах.
  3. Разделение с помощью ионного обмена. В результате этого необходимое вещество может выпасть в осадок, нерастворимый в воде, и далее можно будет отделить его с помощью центрифугирования или фильтрации.
  4. Криогенное разделение используется для получения газообразных веществ из воздуха.
  5. Электрофорез – разделение веществ с участием электрического поля, под действием которого частицы, несмешивающиеся друг с другом, перемещаются в жидкой или газообразной средах.

Таким образом лаборант всегда сможет получить требуемое вещество.

Источник: https://FB.ru/article/454775/fizicheskie-metodyi-analiza-vidyi-svoystva-gruppyi-i-harakteristika-izmereniy

Физические и физико-химические методы

Физический анализ

К ним относятся: определение температур плавления и затвердевания, а также температурных пределов перегонки; определение плотности, показателей преломления (рефрактометрия), оптического вращения (поляриметрия); спектрофотометрия — ультрафиолетовая, инфракрасная; фотоколориметрия, эмиссионная и атомно-абсорбционная спектрометрия, флуориметрия, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, масс-спектрометрия; хроматография — адсорбционная, распределительная, ионообменная, газовая, высокоэффективная жидкостная; электрофорез (фронтальный, зональный, капиллярный); электрометрические методы (потенциометрическое определение рН, потенциометрическое титрование, амперометрическое титрование, вольтамперометрия).

Кроме того, возможно применение методов, альтернативных фармакопейным, которые иногда имеют более совершенные аналитические характеристики (скорость, точность анализа, автоматизация).

В некоторых случаях фармацевтическое предприятие приобретает прибор, в основе использования которого лежит метод, еще не включенный в Фармакопею (например, метод романовской спектроскопии — оптический дихроизм).

Иногда целесообразно при определении подлинности или испытании на чистоту заменить хроматографическую методику на спектрофотометрическую. Фармакопейный метод определения примесей тяжелых металлов осаждением их в виде сульфидов или тиоацетамидов обладает рядом недостатков.

Для определения примесей тяжелых металлов многие производители внедряют такие физико-химические методы анализа, как атомно-абсорбционная спектрометрия и атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой.

В некоторых частных статьях ГФ X рекомендуется определять температуру затвердевания или температуру кипения (по ГФ XI — «температурные пределы перегонки») для ряда жидких ЛC. Температура кипения должна укладываться в интервал, приведенный в частной статье. Более широкий интервал свидетельствует о присутствии примесей.

Во многих частных статьях ГФ X приведены допустимые значения плотности, реже вязкости, подтверждающие подлинность и доброкачественность ЛC.

Практически все частные статьи ГФ X нормируют такой показатель качества ЛC, как растворимость в различных растворителях. Присутствие примесей в ЛB может повлиять на его растворимость, снижая или повышая ее в зависимости от природы примеси.

Физические методы анализа

Подлинность лекарственного вещества подтверждают; агрегатное состояние (твердое вещество, жидкость, газ); окраска, запах; форма кристаллов или вид аморфного вещества; гигроскопичность или степень выветриваемости на воздухе; устойчивость к воздействию света, кислорода воздуха; летучесть, подвижность, воспламеняемость (жидкостей). Окраска лекарственного вещества — одно из характерных свойств, позволяющее осуществить его предварительную идентификацию.

Степень белизны (оттенка) твердых лекарственных веществ можно оценить различными инструментальными методами на основе спектральной характеристики света, отраженного от образца. Для этого измеряют коэффициенты отражения при освещении образца белым светом.

Коэффициент отражения — это отношение величины отраженного светового потока к величине падающего светового потока. Он позволяет определить наличие или отсутствие у лекарственных веществ цветового оттенка по степени белизны и степени яркости. Для белых или белых с сероватым оттенком веществ степени белизны теоретически равна 1.

Вещества, у которых она 0,95–1,00, а степени яркости < 0,85, имеют сероватый оттенок.

Более объективным является установление различных физических констант: температуры плавления (разложения), температуры кипения, плотности, вязкости. Важный показатель подлинности — растворимость лекарственного препарата в воде, растворах кислот, щелочей, органических растворителях (эфире, хлороформе, ацетоне, бензоле, этиловом и метиловом спирте, маслах и др.).

Константой, характеризующей гомогенность твердых веществ, является температура плавления. Ее используют в фармацевтическом анализе для установления подлинности и чистоты большинства твердых лекарственных веществ. Известно, что это температура, при которой твердое тело находится в равновесии с жидкой фазой при насыщенной фазе пара.

Температура плавления является постоянной величиной для индивидуального вещества. Присутствие даже небольшого содержания примесей изменяет (как правило, снижает) температуру плавления вещества, что позволяет судить о степени его чистоты.

Под температурой плавления подразумевается интервал температур, при котором происходит процесс плавления испытуемого препарата от появления первых капель жидкости до полного перехода вещества в жидкое состояние. Некоторые органические соединения при нагревании разлагаются. Процесс этот происходит при температуре разложения и зависит от ряда факторов, в частности от скорости нагрева.

Приведенные интервалы температур плавления указывают на то, что между началом и окончанием плавления лекарственного вещества интервал не должен превышать 2°С. Если переход вещества из твердого в жидкое состояние нечеткий, то вместо интервала температуры плавления устанавливают температуру, при которой происходит только начало или только окончание плавления.

Следует учитывать, что на точность установления температурного интервала, при котором происходит плавление испытуемого вещества, могут влиять условия подготовки образца, скорость подъема и точность измерения температуры, опытность аналитика.

Температура кипения — это интервал между начальной и конечной температурой кипения при нормальном давлении 760 мм рт.ст. (101,3 кПа).

Температуру, при которой в приемник перегнались первые 5 капель жидкости, называют начальной температурой кипения, а температуру, при которой перешло в приемник 95% жидкости, — конечной температурой кипения. Указанные пределы температур можно установить макрометодом и микрометодом.

Следует учитывать, что температура кипения зависит от атмосферного давления. Температуру кипения устанавливают только у сравнительно небольшого числа жидких лекарственных препаратов: циклопропана, хлорэтила, эфира, фторотана, хлороформа, трихлорэтилена, этанола.

При установлении плотности берут массу вещества определенного объема. Плотность устанавливают с помощью пикнометра или ареометра, строго соблюдая температурный режим, так как плотность зависит от температуры. Обычно это достигается термостатированием пикнометра при 20°С.

Определенные интервалы значений плотности подтверждают подлинность этилового спирта, глицерина, масла вазелинового, вазелина, парафина твердого, галогенопроизводных углеводородов (хлорэтила, фторотана, хлороформа), раствора формальдегида, эфира для наркоза, амилнитрита и др.

Вязкость (внутреннее трение) — физическая константа, подтверждающая подлинность жидких лекарственных веществ. Различают динамическую (абсолютную), кинематическую, относительную, удельную, приведенную и характеристическую вязкость. Каждая из них имеет свои единицы измерения.

Для оценки качества жидких препаратов, имеющих вязкую консистенцию, например глицерина, вазелина, масел, обычно определяют относительную вязкость. Она представляет собой отношение вязкости исследуемой жидкости к вязкости воды, принятой за единицу.

Растворимость рассматривают не как физическую константу, а как свойство, которое может служить ориентировочной характеристикой испытуемого препарата. Наряду с температурой плавления растворимость вещества при постоянной температуре и давлении является одним из параметров, по которому устанавливают подлинность и чистоту практически всех лекарственных веществ.

Методика определения растворимости основана на том, что навеска предварительно растертого (в необходимых случаях) препарата вносится в отмеренный объем растворителя и непрерывно перемешивается в течение 10 мин при (20±2)°С.

Растворившимся считают препарат, в растворе которого в проходящем свете не наблюдается частиц вещества. Если для растворения препарата требуется более 10 мин, то его относят к числу медленно растворимых.

Их смесь с растворителем нагревают на водяной бане до 30° С и наблюдают полноту растворения после охлаждения до (20±2)°С и энергичного встряхивания в течение 1–2 мин.

Метод фазовой растворимости дает возможность осуществлять количественную оценку степени чистоты лекарственного вещества путем точных измерений значений растворимости. Суть установления фазовой растворимости заключается в последовательном прибавлении увеличивающейся массы препарата к постоянному объему растворителя.

Для достижения состояния равновесия смесь подвергают длительному встряхиванию при постоянной температуре, а затем с помощью диаграмм определяют содержание растворенного лекарственного вещества, т.е. устанавливают, является ли испытуемый препарат индивидуальным веществом или смесью.

Метод фазовой растворимости отличается объективностью, не требует для выполнения дорогостоящего оборудования, знания природы и структуры примесей.

Это позволяет использовать его для качественного и количественного анализов, а также для изучения стабильности и получения очищенных образцов препаратов (до степени чистоты 99,5%), Важное достоинство метода — возможность отличать оптические изомеры и полиморфные формы лекарственных веществ. Метод применим ко всем видам соединений, которые образуют истинные растворы.

Физико-химические методы

Приобретают все большее значение для целей объективной идентификации и количественного определения лекарственных веществ.

Получивший распространение в различных отраслях недеструктивный анализ (без разрушения анализируемого объекта) играет важную роль и в фармацевтическом анализе.

Для его выполнения пригодны многие физико-химические методы, в частности оптические, ЯМР-, ПМР-, УФ- и ИК- спектроскопия и др.

В фармацевтическом анализе наиболее широко используют физико-химические методы, которые могут быть классифицированы на следующие группы: оптические методы; методы, основанные на поглощении излучения; методы, основанные на испускании излучения; методы, основанные на использовании магнитного поля; электрохимические методы; методы разделения; термические методы.

Большинство перечисленных методов (за исключением оптических, электрохимических и термических) широко применяют для установления химической структуры органических соединений.

Физико-химические методы анализа имеют ряд преимуществ перед классическими химическими методами. Они основаны на использовании как физических, так и химических свойств веществ и в большинстве случаев отличаются экспрессностью, избирательностью, высокой чувствительностью, возможностью унификации и автоматизации.

Цель товароведческого анализа – определить подлинность, чистоту и доброкачественность лекарственного сырья. Проводится на складе в контрольно-аналитической лаборатории.

Первый этап товароведческого анализа (прием и проверка документов партии сырья) производится в приемном отделении склада. Партия сырья – сырье, поступившее одновременно от одного поставщика с одними оправдательными документами о качестве. Партия по весу должна быть не менее 50 кг. Отдельные ящики или мешки в партии называются местами в партии.

1) Прежде всего при поступлении партии сырья на склад от поставщика проверяется наличие и качество оправдательных документов. Вначале проверяется накладная, затем сертификат качества (качественное удостоверение) или протокол анализа завода изготовителя и т.д.

2) Внешний осмотр партии сырья: на наличие подмоченных мест и на наличие мест с нарушенной целостностью упаковки (места с нарушенной целостностью анализируются отдельно).

3) Подсчет количества мест для вскрытия: если на склад поступило от 1 до 5 мест, то вскрывают все; если на склад поступило от 6 до 50 мест, то любые 5 мест; если на склад поступило свыше 50 мест, то вскрывают 10% мест.

4) Вскрытие мест. Сырье бракуется без анализа, если:

– при вскрытии обнаруживается затхлый запах, не исчезающий при проветривании в течение суток

– если отсутствует естественный запах, или присутствует несвойственный запах сырья

– явно бросаются в глаза механические примеси

– при наличии явных вредителей и/или ядовитых растений

В этом случае создается специальная комиссия и составляется акт браковки сырья, после этого вызывается поставщик.

Второй этап товароведческого анализа (взятие средней пробы и пробы на поврежденность амбарными вредителями) производится в приемном отделении склада.

1) Отбор средней пробы для анализа. Из каждого вскрытого места берут три точечных пробы (выемки) из разных мест: сверху, снизу и из середины, отступая от поверхности сырья на 10 см вглубь, чтобы не было заведомо больше сырья с повышенной влажностью и измельченностью. Выемки берутся вручную, если сырье крупное; если сырье мелкое и/или сыпучее, то используют зерновой щуп.

Все выемки проверяются на однородность и смешиваются вместе – получается общая (объединенная) проба. Из этой объединенной пробы методом квартования берется средняя проба, вес которой указан в ГФ XI, том 2, с. 267.

Для взятия средней пробы методом квартования общая проба раскладывается на столе в виде квадрата высотой не более 3 см, делится по диагонали на четыре треугольника. Два противоположных треугольника объединяются и взвешиваются – вес должен быть равен весу средней пробы. Два оставшихся треугольника в общей пробе объединяются вместе и из них берется проба на пораженность амбарными вредителями.

Средняя проба упаковывается в целлофановый пакет и снабжается двумя этикетками (одна внутрь, одна снаружи). этикетки: наименование сырья, поставщик, масса средней пробы, дата отбора средней пробы, подпись лица, взявшего среднюю пробу.

Проба на поврежденность амбарными вредителями помещается в стеклянную банку с притертой пробкой и также снабжается двумя этикетками. По весу проба на поврежденность амбарными вредителями разная: для крупного сырья – 1 кг, для мелкого – 0,5 кг.

Затем эти пробы отправляются на анализ в лабораторию склада.

Третий этап товароведческого анализа (анализ средней пробы в контрольно-аналитической лаборатории).

При получении средней пробы она взвешивается, затем методом квартования берутся три аналитические пробы, вес которых также указан в ГФ XI, том 1. Вес аналитических проб разный.

Первая аналитическая проба

Определяется:

– подлинность

– измельченность

– наличие примесей (чистота)

Вторая аналитическая проба

Определяется влажность

Третья аналитическая проба

Определяется:

– действующие вещества

– зольность

Источник: https://studbooks.net/2473199/meditsina/fizicheskie_fiziko_himicheskie_metody

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.