Основные методы химического анализа | Металлолом

Более перспективные методы определе­ния состава сплавов возникли благодаря развитию химии. Но первый успех оказался связанным все с той же старой задачей — разделением золота и серебра. ‘Начиная примерно с конца XIV века для этой цели стала широко применяться азотная кислота, в кото­рой серебро растворялось, а золото нет. Таким обра­зом, компонент оказывался выделенным из сплава за счет характерной для него химической реакции.

Этот метод был систематизирован в конце XVIII века в работах шведского химика Торберна Бергмана. В них предлагалось переводить исследуе­мое вещество в растворенное состояние, а затем про­водить избирательное осаждение разных компонентов с помощью характерных для них реактивов. В част­ности, Бергман подробно описал методы определения большинства известных тогда металлов — золота, се­ребра, платины, ртути, свинца, меди, железа, олова, висмута, никеля, кобальта, цинка, сурьмы и мар­ганца.

За два века методы «мокрой химии» серьезно усо­вершенствовались. Они широко применяются сегодня и позволяют не только установить, какие элементы присутствуют в образце (качественный анализ), но и определить концентрацию (относительное количе­ство) каждого из них (количественный анализ). Для этого достаточно взвесить выделенный с помощью ре­актива осадок и, зная его химическую формулу, най­ти массу интересующего нас элемента.

У «мокрой химии» имеется существенный недоста­ток: анализ удобно проводить, когда хотя бы пример­но ясно, что надо искать. Это распространенная ситуация, так как часто известно, из каких основных компонентов состоит образец. Ну, а если такой ин­формации нет? Попробуйте проделать характерные реакции на все элементы Периодической системы!

К счастью, со времени Бергмана арсенал методов аналитической химии существенно пополнился. Одним из наиболее ценных приобретений стал спектральный анализ. История замечательных открытий часто на­чинается с пустяка. Но ведь на него еще надо обра­тить внимание!

Профессор химии Гейдельбергского университета Роберт Бунзен изучал горение некоторых веществ. Он заметил, что соли металлов окрашивают пламя в различные цвета. Этот эффект был известен и до Бун – зена, однако другие имена в истории не задержались. Эксперименты большой изобретательности не требова­ли. Бунзен подносил к горелке образцы разных ве­ществ и записывал цвет язычка пламени. Вскоре от­четливо выявилась закономерность. Один и тот же металл всегда окрашивал пламя в определенный цвет, независимо от того, в каком виде сжигался. На­пример, от бария пламя зеленело, а от натрия жел­тело.

Бунзен прекрасно понял значение своего открытия. Его можно было использовать для определения эле­ментов, присутствовавших в образце. Практический путь реализации проекта был, однако, не ясен. Ведь если образец состоит из нескольких компонентов, то цвет у пламени получается сложный: всех нюансов не различишь. Нужна была еще одна идея, чтобы от­крытие смогло заявить о себе «во весь голос». Ее подал и реализовал знаменитый немецкий физик Густав Кирхгоф, с которым Бунзена связывала мно­голетняя дружба.

Вспомните, как призма разлагает солнечный свет на спектр. Именно это и предложил использовать Кирхгоф. Вместо самого пламени следовало рассмат­ривать его спектр, где каждому цвету была отведена своя отдельная «территория». Все оттенки пламени оказывались разделенными и наблюдались без ма­лейших усилий. Более того, Кирхгоф из подручных средств самостоятельно сконструировал прибор —1 спектроскоп, который позволял разложить пламя на составныё части и наблюдать их.

Спектр каждого элемента состоял из специфически расположенных линий разного цвета. Например, для натрия самыми характерными были две яркие жел­тые линии (см. рисунок на второй странице облож – Ки), которые Кирхгоф быстро заметил в свой при­бор. Они появлялись всегда, в каком бы виде ни сжи­гался натрий. Спектры двух различных элементов спутать было невозможно (в качестве иллюстрации йа рисунке приведен еще спектр меди). Поэтому для Определения химического состава оставалось только затабулировать длины волн (или по крайней мере цвета и характерное расположение) основных линий спектра всех известных элементов, с которыми впо­следствии следовало сравнивать спектр исследуемого образца.

Совместная работа Бунзена и Кирхгофа велась С огромным напряжением и приносила ощутимые ре­зультаты. Вот как об этом писал в одном из своих Писем сам Бунзен: «Сейчас я работаю с Кирхгофом, который едва дает нам время для сна! Кирхгоф сде­лал удивительное открытие.,t Мы получили возмож­ность устанавливать химический состав Солнца и звезд с такой же точностью, с какой мы определяем хлориды и сульфаты в лаборатории. С той же сте­пенью точности мы можем идентифицировать отдель­ные элементы и на Земле. Например, мы смогли об­наружить литий в 20 граммах морской воды! Для идентификации некоторых веществ наш метод значи­тельно более чувствителен, чем любой другой. Если у тебя есть смесь, состоящая из лития, натрия, калия, бария, стронция и кальция, тебе достаточно дать мне только один ее миллиграмм, и я, посмотрев на нее через зрительную трубу моего прибора, совсем не прикасаясь к образцу, смогу сказать, какие элементы в нем присутствуют».

Таковы основные итоги работы, выполненной Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом в 1859—1861 годах. И в это же время произошло первое открытие элемента с помощью спектрального анализа. Им оказался но­вый металл — цезий.

В 1860 году в лабораторию Бунзена обратились врачи. Они прислали на анализ минеральную воду из знаменитых шварцвальдских источников и просили определить ее состав. В нем, по их мнению, крылись секреты целебности. Бунзен выпарил воду, а то, что осталось, сжег в пламени горелки. В спектре быстро стали различимы характерные линии натрия, ка­лия, кальция, лития… Но две голубые линии не удавалось приписать ни одному из известных элемен­тов. Значит, открыт новый элемент. Он получил на­звание «цезий», в переводе с латинского — небесно – голубой.

Цезий присутствовал в минеральной воде в очень, малых количествах. Впоследствии, чтобы получить несколько граммов нового металла, Бунзену при­шлось выпарить 40 тонн(!) воды. И тем не менее задача анализа оказалась «по плечу» новому методу. Таким было начало. А всего за период с 1861 по 1923’годы методом спектрального анализа были от­крыты 25 новых элементов.

Понять физические принципы, лежащие в основе спектрального анализа, удалось только после возник­новения квантовой механики. Более того, создание одной из ранних квантовых теорий — знаменитых по­стулатов Бора — прочно связано с наблюдениями над спектрами, Этот материал излагается в школьной программе по физике, и мы здесь его очень кратко повторим.

Согласно постулатам Бора электроны в атоме мо­гут иметь не произвольные, а жестко «регламентиро­ванные» значения энергии: Е\, E2, … и т. д. Этот на­бор строго индивидуален для атомов каждого эле­мента. Если атому сообщить дополнительную энер­гию (например, облучив его), то электроны с нижних энергетических уровней (рис. 1) перейдут на верх­ние. Через некоторое время «пострадавший от облу­чения» электрон возвращается на исходный уровень,

Рис. 1

Испуская квант излучения Ziv (Л — постоянная План­ка, V — частота излучения), который точно равен разности энергий двух уровней. Регистрируя часто­ты испущенных квантов (а каждой частоте соответ­ствует линия в спектре), можно получить информацию о разности уровней энергии электронов в атоме. А это очень детальное описание, по которому атом безоши­бочно идентифицируется.

Технически спектральный анализ проводится по – разному, но всегда предусматривается осуществление двух важнейших этапов — возбуждения спектра и его регистрации. В опытах Бунзена спектр возбуждался пламенем горелки. Но существуют и совершенно дру­гие пути — бомбардировка электронами, облучение и т. д. И совсем необязательно регистрировать види­мую часть спектра. Допустимо пользоваться любым другим диапазоном длин волн — ультрафиолетовым, инфракрасным и т. д. Лишь бы имелась возможность зафиксировать спектр и сравнить его с табличными данными.

С помощью спектральных методов проводят не только качественный, но и количественный анализ: устанавливают концентрацию разных элементов в об­разце. Кстати, ее совершенно необязательно выра­жать именно в массовых процентах (как это делал еще Архимед)’. Сегодня часто пользуются атомными процентами (или долями). В этом случае концентра­ция равна отношению числа атомов данного элемента к общему числу атомов.

Количественный спектральный анализ основан на простой закономерности: чем больше в образце ато­мов данного элемента, тем интенсивнее проявляются его линии. А интенсивность можно измерить, напри­мер, по степени почернения фоточувствительной пла­стинки. Необходимым условием количественного ана­лиза является знание зависимости интенсивности от концентрации. Ее строят, пользуясь эталонами, т. е. образцами с заранее известной концентрацией анали­зируемого элемента. Колоссальным преимуществом спектрального анализа является быстрота его прове­дения. На современных компьютеризованных уста­новках определение состава образца — буквально ми­нутное дело.

На практике очень часто применяют комбинацию разных методов. Например, сначала проводят каче­ственный спектральный анализ и устанавливают, ка­кие элементы присутствуют в образце, а уж затем обращаются к «мокрой химии».

Помимо упомянутых нами существует множество других методов анализа. К какому из них прибегнуть, зависит от объекта исследования и имеющегося в наличии оборудования.