Методы измерения концентрации

Согласно основным положениям науки об измерениях – метрологии, измерение физической величины есть ничто иное, как сравнение размера величины с эталоном этой величины, размер которой принят за единицу измерения, и получение значения этой величины.

Узнать неизвестное содержание компонента А (провести химический анализ) в пробе анализируемого вещества можно только путем сравнения с эталоном – с пробой вещества сравнения, в котором известно содержание определяемого компонента А или какого-либо другого компонента, и желательно, схожим по составу с анализируемым веществом.

Реализовано два способа сравнения определяемого количества частиц компонента с его единицей измерения (1 моль):

– химический способ, реализованный в химических методах химического анализа;

– физический способ, реализованный в физических методах химического анализа.

Химический приём реализован в способе сравнения с эталоном единицы величины количества компонента, построенном на использовании законов сохранения массы или количества компонента при химических взаимодействиях и законе постоянства химического состава. Химические взаимодействия основаны на химических свойствах химических соединений. Для определения искомого компонента в пробе вещества проводят химическую реакцию, отвечающую определенным требованиям, и измеряют массу (методы гравиметрии) или объём (методы титриметрии) компонентов, участвующих в данной химической реакции. Количественные отношения получают, из закона сохранения массы элементов (методы гравиметрии) или закона эквивалентов компонентов (методы титриметрии) для данной химической реакции.

Физический приём реализован в способе сравнения с эталоном единицы величины количества компонента путем измерения физического свойства компонента А, зависящего от его химической природы и содержания в пробе вещества. Экспериментально устанавливают функциональную зависимость «Интенсивность физического свойства – содержание компонента А в пробе вещества» путем градуировки средства измерения этого физического свойства по определяемому компоненту А. Количественные отношения получают из градуировочного графика, построенного в координатах: «интенсивность физического свойства – концентрация определяемого компонента А», рис.1.

I

I_{x--- -- --- --} I

I

I

I

C(А)_x C(А)

Рис.1 Вид типичного градуировочного графика в физических методах химического анализа

Множество анализируемых веществ и широкий диапазон измеряемых концентраций обусловили возникновение многочисленных и чрезвычайно разнообразных методов измерений, основанных на использовании различных физико-химических явлений и свойств вещества.

Примеры физических методов анализа веществ.

-- Группа оптических методов химического анализа, основанных на измерении оптических свойств компонентов: атомно-эмиссионный, пламенно-фотометрический, атомно-абсорбционный, фотоколориметрический, ИК-спектрометрический.

-- Группа рентгеновских методов химического анализа, основанных на измерении рентгеновских свойств компонентов: рентгено-флуоресцентный, рентгено-спектральный, рентгено-фазовый;

-- Группа ядерно-физических методов химического анализа, основанных на измерении радиоактивных свойств компонентов: радиометрический, рентгено-радиометрический, нейтронно-активационный, гамма-активационный, изотопного разбавления.

-- Группа методов химического анализа, основанных на измерении магнитных свойств ядер, электронов, ионов: масс-спектрометрический, ядерно-магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса;

-- Группа электрохимических методов химического анализа, основанных на измерении электрических свойств компонентов: потенциометрический, вольтамперометрический, кулонометрический, кондуктометрический и др.;

-- Группа хроматографических методов химического анализа. Это название историческое и не несет информации об измеряемом свойстве. В хроматографических методах для разделения смеси компонентов сложного вещества используется свойство химических частиц распределяться между двумя несмешивающимися фазами – подвижной и неподвижной, за счет сил адсорбции или абсорбции. Для определения компонентов вещества используются разнообразные свойства этих компонентов, например, электрическая проводимость раствора или газа, угол отклонения заряженной частицы в магнитном поле, поглощение или излучение света, теплопроводность и др. Блок хроматографа, где происходит преобразование концентрации в измеряемое свойство, называют детектором. Например, хроматограф с масс-спектрометрическим детектором называют хроматомасс-спектрометром, а метод – хроматомасс-спектрометрией.