כיום ישנם מומחים רבים שהקדישו את עצמם למדעי הפיזיקה או הכימיה, ולפעמים גם וגם. ואכן, רוב התופעות ניתנות להסבר הגיוני דווקא באמצעות ניסויים כאלה. נשקול שיטות מחקר פיזיקליות ביתר פירוט.
שיטות ניתוח בכימיה אנליטית
כימיה אנליטית היא מדע של זיהוי, הפרדה וזיהוי כימיקלים. כדי לבצע פעולות מסוימות עם תרכובות, נעשה שימוש בשיטות ניתוח כימיות, פיסיקליות ופיזיות-כימיות. השיטה האחרונה נקראת גם אינסטרומנטלית, שכן היישום שלה דורש ציוד מעבדה מודרני. הוא מחולק לקבוצות ספקטרוסקופיות, פיסיקה גרעינית ורדיוכימית.
חוץ מזה, בכימיה יכולות להיות בעיות מסוגים שונים הדורשים פתרונות אישיים. בהתאם לכך, ישנן שיטות של ניתוח איכותי (קביעת השם והצורה של חומר) וכמותית (קביעת כמה מחומר נתון כלול במנה או מדגם).
שיטות ניתוח כמותי
הם מאפשרים לך לקבוע את התוכן של החומר המקורי בדוגמה. בסך הכל, ישנן שיטות כימיות, פיסיקליות-כימיות ופיזיות לניתוח כמותי.
שיטות כימיות של ניתוח כמותי
הם מחולקים ל:
- ניתוח משקל המאפשר לקבוע את התוכן של חומר על ידי שקילה על מאזן אנליטי וביצוע פעולות נוספות.
- ניתוח נפח, הכולל מדידת נפח של חומרים במצבי צבירה או פתרונות שונים.
בתורו, הוא מחולק לתתי הסעיפים הבאים:
- אנליזה טיטרימטרית נפחית משמשת בריכוז ידוע של המגיב, התגובה שבה צורכים את החומר הדרוש, ולאחר מכן נמדדת הנפח הנצרך;
- שיטת הגז הנפחית היא לנתח תערובות גז שבהן החומר המקורי נספג בחומר אחר.
- שיקוע נפחי (מהמשקע הלטיני - "יישוב") מבוסס על ריבוד על ידי מערכת מפוזרת כתוצאה מכוח הכבידה. זה מלווה במשקעים, שנפחם נמדד באמצעות צינור צנטריפוגה.
שיטות כימיות אינן תמיד נוחות לשימוש, מכיוון שלעתים קרובות יש צורך להפריד את התערובת על מנת לבודד את הרכיב הרצוי. כדי לבצע פעולה כזו ללא שימוש בתגובות כימיות, נעשה שימוש בשיטות ניתוח פיזיקליות. ולבחון את השינוי בתכונות הפיזיקליות של התרכובת כתוצאה מכךביצוע תגובות - פיזיקליות וכימיות.
שיטות פיזיקליות של ניתוח כמותי
הם משמשים במהלך מחקרי מעבדה רבים. שיטות ניתוח פיזיות כוללות:
- ספקטרוסקופי - מבוסס על אינטראקציה של אטומים, מולקולות, יונים של התרכובת הנחקרת עם קרינה אלקטרומגנטית, שכתוצאה ממנה נספגים או משתחררים פוטונים.
- השיטה הגרעינית-פיזיקלית מורכבת מחשיפת דגימה של החומר הנחקר לשטף נויטרונים, על ידי מחקר שלאחר הניסוי ניתן לקבוע את התוכן הכמותי של היסודות הכלולים בדגימה על ידי מדידה קרינה רדיואקטיבית. זה עובד מכיוון שכמות הפעילות של החלקיקים עומדת ביחס ישר לריכוז היסוד הנחקר.
- השיטה הרדיוכימית היא לקבוע את התוכן בחומר של איזוטופים רדיואקטיביים הנוצרים כתוצאה מתמורות.
שיטות פיסיקליות-כימיות של ניתוח כמותי
מכיוון ששיטות אלו הן רק חלק מהשיטות הפיזיקליות לניתוח חומר, הן גם מחולקות לשיטות מחקר ספקטרוסקופיות, גרעיניות-פיזיקליות ורדיוכימיות.
שיטות ניתוח איכותי
בכימיה אנליטית, על מנת לחקור את תכונותיו של חומר, לקבוע את מצבו הפיזי, צבעו, טעמו, ריחו, משתמשים בשיטות של ניתוח איכותי, אשר, בתורן, מחולקות לאותו כימי, פיזיקלי ופיזיו-כימיים (אינסטרומנטליים).יתרה מכך, שיטות ניתוח פיזיקליות עדיפות בכימיה אנליטית.
שיטות כימיות מתבצעות בשתי דרכים: תגובות בתמיסות ותגובות בצורה יבשה.
תגובות בדרך הרטובה
לתגובות בפתרונות יש תנאים מסוימים, שאחד או יותר מהם חייבים להתקיים:
- היווצרות משקעים בלתי מסיסים.
- שינוי צבע הפתרון.
- התפתחות של חומר גז.
היווצרות משקעים יכולה להתרחש, למשל, כתוצאה מאינטראקציה של בריום כלוריד (BaCl2) וחומצה גופרתית (H2SO4). תוצרי התגובה הם חומצה הידרוכלורית (HCl) ומשקע לבן בלתי מסיס במים - בריום סולפט (BaSO4). אז יתקיים התנאי ההכרחי להתרחשות תגובה כימית. לפעמים תוצרי התגובה עשויים להיות כמה חומרים, שיש להפריד אותם באמצעות סינון.
שינוי צבע התמיסה כתוצאה מאינטראקציה כימית הוא מאפיין חשוב מאוד של הניתוח. זה נצפה לרוב כאשר עובדים עם תהליכי חיזור או כאשר משתמשים באינדיקטורים בתהליך טיטרציה של חומצה-בסיס. חומרים שיכולים לצבוע את התמיסה בצבע המתאים כוללים: אשלגן תיאוצינאט KSCN (האינטראקציה שלו עם מלחי ברזל III מלווה בצבע אדום-דם של התמיסה), כלוריד ברזל (בעת אינטראקציה עם מי כלור, הצבע הירוק החלש של התמיסה). תמיסה מצהיבה), אשלגן דיכרומט (כאשר מופחת ותחת פעולת חומצה גופרתית, הוא משתנה מכתום לירוק כהה) ואחרים.
תגובות המתמשכות עם שחרור גז אינן בסיסיות ונעשה בהן שימוש במקרים נדירים. הפחמן הדו-חמצני הנפוץ ביותר המיוצר במעבדות הוא CO2.
תגובות יבשות
אינטראקציות כאלה מבוצעות כדי לקבוע את תכולת הזיהומים בחומר המנותח, בחקר המינרלים, והיא מורכבת מכמה שלבים:
- בדיקת מיזוג.
- בדיקת צבע להבה.
- בדיקת תנודתיות.
- היכולת לבצע חיזור תגובות.
בדרך כלל, חומרים מינרליים נבדקים ליכולת התכה על ידי חימום מראש של דגימה קטנה מהם מעל מבער גז והתבוננות בעגול הקצוות שלו מתחת לזכוכית מגדלת.
כדי לבדוק כיצד הדגימה מסוגלת לצבוע את הלהבה, היא מונחת על חוט פלטינה תחילה על בסיס הלהבה, ולאחר מכן למקום שהכי מחומם.
התנודתיות של הדגימה נבדקת בגליל הבדיקה, אשר מחומם לאחר הכנסת אלמנט הבדיקה.
תגובות של תהליכי חיזור מבוצעות לרוב בכדורים יבשים של בורקס מאוחה, שבהם מניחים את הדגימה ולאחר מכן עוברים לחימום. ישנן דרכים נוספות לבצע את התגובה הזו: חימום בצינור זכוכית עם מתכות אלקליות - Na, K, חימום פשוט או חימום על פחם וכן הלאה.
שימוש במחוונים כימיים
לפעמים שיטות ניתוח כימיות משתמשות בשיטות שונותאינדיקטורים המסייעים בקביעת ה-pH של המדיום של חומר. השימושים הנפוצים ביותר הם:
- לקמוס. בסביבה חומצית, נייר לקמוס מחוון הופך לאדום, ובסביבה בסיסית הוא הופך לכחול.
- מתילאורנג'. כאשר נחשף ליון חומצי, הוא הופך ורוד, בסיסי - הופך לצהוב.
- פנולפתלין. בסביבה בסיסית הוא אופייני לצבע אדום, ובסביבה חומצית אין לו צבע.
- כורכומין. הוא משמש לעתים רחוקות יותר מאשר אינדיקטורים אחרים. הופך לחום עם אלקליות וצהוב עם חומצות.
שיטות פיזיקליות של ניתוח איכותני
כיום, הם משמשים לעתים קרובות הן במחקר תעשייתי והן במעבדה. דוגמאות לשיטות ניתוח פיזיקליות הן:
- ספקטרל, שכבר נדון למעלה. זה, בתורו, מחולק לשיטות פליטה וספיגה. בהתאם לאות האנליטי של החלקיקים, מבדילים ספקטרוסקופיה אטומית ומולקולרית. במהלך הפליטה, הדגימה פולטת קוונטות, ובמהלך הקליטה, הפוטונים הנפלטים מהדגימה נספגים באופן סלקטיבי על ידי חלקיקים קטנים - אטומים ומולקולות. שיטה כימית זו משתמשת בסוגי קרינה כמו אולטרה סגול (UV) עם אורך גל של 200-400 ננומטר, הנראית באורך גל של 400-800 ננומטר ואינפרא אדום (IR) עם אורך גל של 800-40000 ננומטר. אזורי קרינה כאלה נקראים אחרת "הטווח האופטי".
- שיטה זוהרת (פלורסנט) מורכבת מהתבוננות בפליטת האור על ידי החומר הנבדק עקבחשיפה לקרניים אולטרה סגולות. דגימת הבדיקה יכולה להיות תרכובת אורגנית או מינרלית, כמו גם כמה תרופות. כאשר נחשפים לקרינת UV, האטומים של חומר זה עוברים למצב נרגש, המאופיין במאגר אנרגיה מרשים. במהלך המעבר למצב נורמלי, החומר מאיר עקב כמות האנרגיה השיורית.
- ניתוח דיפרקציה של קרני רנטגן מתבצע, ככלל, באמצעות צילומי רנטגן. הם משמשים לקביעת גודל האטומים וכיצד הם ממוקמים ביחס למולקולות אחרות בדגימה. לפיכך, סריג הגביש, הרכב המדגם ונוכחות של זיהומים בחלק מהמקרים נמצאים. שיטה זו משתמשת בכמות קטנה של אנליט ללא שימוש בתגובות כימיות.
- שיטת מסה-ספקטרומטרית. לפעמים קורה שהשדה האלקטרומגנטי לא מאפשר לחלקיקים מיוננים מסוימים לעבור דרכו בגלל הבדל גדול מדי ביחס בין המסה והמטען. כדי לקבוע אותם, יש צורך בשיטה פיזית זו של ניתוח.
לכן, לשיטות אלה יש ביקוש גבוה, בהשוואה לכימיקלים רגילים, מכיוון שיש להן מספר יתרונות. עם זאת, השילוב של שיטות ניתוח כימיות ופיזיקליות בכימיה אנליטית נותן תוצאה טובה ומדויקת הרבה יותר של המחקר.
שיטות פיסיקליות-כימיות (אינסטרומנטליות) של ניתוח איכותני
הקטגוריות האלה כוללות:
- שיטות אלקטרוכימיות המורכבות במדידהכוחות אלקטרו-מוטיביים של תאים גלווניים (פוטנציומטריה) ומוליכות חשמלית של פתרונות (מוליכות), וכן בחקר התנועה והמנוחה של תהליכים כימיים (פולארוגרפיה).
- ניתוח ספקטרלי פליטה, שעיקרו קביעת עוצמת הקרינה האלקטרומגנטית בסולם תדרים.
- שיטה פוטומטרית.
- אנליזה ספקטרלית של קרני רנטגן, הבוחנת את הספקטרום של קרני רנטגן שעברו דרך המדגם.
- שיטה למדידת רדיואקטיביות.
- השיטה הכרומטוגרפית מבוססת על אינטראקציה חוזרת ונשנית של ספיגה וספיגה של חומר כאשר הוא נע לאורך חומר סופג לא תנועתי.
כדאי לדעת שבעצם שיטות ניתוח פיזיקליות-כימיות ופיזיקליות בכימיה משולבות לקבוצה אחת, כך שכאשר הן נחשבות בנפרד, יש להן הרבה במשותף.
שיטות פיסיקליות-כימיות להפרדת חומרים
לעתים קרובות מאוד במעבדות יש מצבים שבהם אי אפשר לחלץ את החומר הנדרש מבלי להפריד אותו מהאחר. במקרים כאלה, נעשה שימוש בשיטות של הפרדת חומרים, הכוללות:
- מיצוי - שיטה שבה מיצוי החומר הדרוש מתמיסה או תערובת באמצעות חומר מיצוי (ממס מתאים).
- כרומטוגרפיה. שיטה זו משמשת לא רק לניתוח, אלא גם להפרדה של רכיבים הנמצאים בשלבים ניידים ונייחים.
- הפרדה באמצעות חילופי יונים. כתוצאההחומר הרצוי עשוי לזרז, בלתי מסיס במים, ולאחר מכן ניתן להפריד אותו באמצעות צנטריפוגה או סינון.
- הפרדה קריוגנית משמשת להפקת חומרים גזים מהאוויר.
- אלקטרופורזה היא הפרדה של חומרים בהשתתפות שדה חשמלי, שבהשפעתו חלקיקים שאינם מתערבבים זה בזה נעים במדיה נוזלית או גזית.
לכן, עוזר המעבדה תמיד יוכל לקבל את החומר הנדרש.
