Фізико-хімічні дослідження як напрям аналітичної хімії знайшли широке застосування в кожній сфері життєдіяльності людини. Вони дозволяють вивчити властивості цікавить речовини, визначаючи кількісну складову компонентів у складі зразка.

Дослідження речовин

Наукове дослідження є пізнанням об'єкта або явища з метою отримання системи понять і знань. За принципом дії використовувані методи класифікують на:

емпіричні;

організаційні;

інтерпретаційні;

методи якісного і кількісного аналізу.

Емпіричні методи дослідження відображають досліджуваний об'єкт з боку зовнішніх проявів і включають в себе спостереження, вимірювання, експеримент, порівняння. Емпіричне вивчення базується на достовірних фактах і не передбачає створення штучних ситуацій для аналізу.


Організаційні методи – порівняльний, лонгитюдний, комплексний. Перший передбачає порівняння станів об'єкта, отриманих в різний час і при відмінних один від одного умовах. Лонгитюдний – спостереження за об'єктом дослідження протягом тривалого проміжку часу. Комплексний являє собою сукупність лонгитюдного та порівняльного методів. Інтерпретаційні методи – генетичний і структурний. Генетичний варіант передбачає вивчення розвитку об'єкта з моменту його виникнення. Структурний метод вивчає і описує пристрій об'єкта. Методами якісного і кількісного аналізу займається аналітична хімія. Хімічні дослідження спрямовані на визначення складу об'єкта дослідження.

Методи кількісного аналізу

За допомогою кількісного аналізу в аналітичній хімії визначається склад хімічних сполук. Майже всі методи побудовані на дослідженні залежності хімічних і фізичних властивостей речовини від його складу.


Кількісний аналіз буває загальним, повним і частковим. Загальний визначає кількість усіх відомих речовин у досліджуваному об'єкті, незалежно від того, чи присутні вони в складі чи ні. Повний аналіз відрізняється знаходженням кількісного складу речовин, що містяться в зразку. Частковий варіант визначає вміст компонентів, що представляють інтерес в даному дослідженні хімічних речовин. Залежно від способу аналізу виділяють три групи методів: хімічні, фізичні і фізико-хімічні. Всі вони засновані на зміну фізичних і хімічних властивостей речовини.

Хімічні дослідження

Даний метод спрямований на визначення речовин у різних кількісно відбуваються хімічних реакціях. Останні володіють зовнішніми виявами (зміна кольору, виділення газу, тепла, осаду). Даний метод широко використовується в багатьох галузях життєдіяльності сучасного суспільства. Лабораторія хімічних досліджень обов'язково присутній в фармацевтичної, нафтохімічної, будівельної промисловості та в багатьох інших. Можна виділити три види хімічних досліджень. Гравіметрія, або ваговий аналіз, заснована на зміну кількісних характеристик досліджуваного речовини у зразку. Цей варіант простий і дає точні результати, але є трудомістким. При такому типі хімічних методів дослідження необхідне речовина виділяється із загального складу у вигляді осаду чи газу. Потім його приводять в тверду нерозчинну фазу, фільтрують, промивають, сушать. Після проведення цих процедур компонент зважують.
Титриметрия є об'ємним аналізом. Дослідження хімічних речовин відбувається шляхом вимірювання об'єму реагенту, що вступає в реакцію з досліджуваним речовиною. Його концентрація відома заздалегідь. Об'єм реагенту вимірюється при досягненні точки еквівалентності. При газовому аналізі визначають обсяг виділеного або поглиненого газу. Крім того, часто використовується дослідження хімічних моделей. Тобто створюється аналог досліджуваного об'єкта, більш зручний у вивченні.

Фізичні дослідження

На відміну від хімічного дослідження, заснованого на проведення відповідних реакцій, фізичні методи аналізу базуються на однойменних властивості речовин. Для їх проведення потрібні спеціальні прилади. Суть методу полягає у вимірюванні змін характеристик речовини, викликаних дією випромінювання. Основними способами проведення фізичного дослідження є рефрактометрія, поляриметрія, флуориметрія. Рефрактометрія проводиться за допомогою рефрактометра. Суть методу зводиться до вивчення заломлення світла, що проходить з одного середовища в іншу. Зміна кута при цьому залежить від властивостей компонентів середовища. Тому стає можливою ідентифікація складу середовища і її структури. Поляриметрія є оптичним методом дослідження, який використовує здатність деяких речовин обертати площину коливання лінійно поляризованого світла. Для флуориметрии використовують лазери і ртутні лампи, які створюють монохроматичне випромінювання. Деякі речовини здатні флуорисцентировать (поглинати і віддавати поглинається випромінювання). На основі інтенсивності флуоресценції робиться висновок про кількісному визначенні речовини.

Фізико-хімічні дослідження

Фізико-хімічні методи дослідження реєструють зміну фізичних властивостей речовини під дією різних хімічних реакцій. Вони засновані на прямій залежності фізичних характеристик досліджуваного об'єкта від його хімічного складу. Дані методи потребують застосування деяких вимірювальних приладів. Як правило, спостереження ведеться за теплопровідністю, електропровідністю, светопоглощенієм, температурою кипіння і плавлення.
Фізико-хімічні дослідження речовини отримали широке розповсюдження завдяки високій точності і швидкості отримання результатів. У сучасному світі у зв'язку з розвитком IT-технологій хімічні методи стали складно застосовні. Фізико-хімічні методи використовують у харчовій промисловості, сільському господарстві, криміналістиці. Одним з основних відмінностей фізико-хімічних методів від хімічних є те, що закінчення реакції (точку еквівалентності) знаходять за допомогою вимірювальних приладів, а не візуально. Основними методами фізико-хімічного дослідження прийнято вважати спектральні, електрохімічні, термічні та хроматографічні методи.

Спектральні методи аналізу речовин

В основі спектральних методів аналізу лежить взаємодія об'єкта з електромагнітним випромінюванням. Досліджується поглинання, відбиття, розсіювання останнього. Інша назва методу – оптичний. Він являє собою сукупність якісного та кількісного дослідження. Спектральний аналіз дозволяє оцінити хімічний склад, структуру компонентів, магнітне поле та інші характеристики речовини. Суть методу полягає у визначенні резонансних частот, на яких речовина реагує на світло. Вони строго індивідуальні для кожного компонента. З допомогою спектроскопа можна побачити лінії на спектрі та визначити складові речовини. Інтенсивність спектральних ліній дає уявлення про кількісну характеристику. В основі класифікації спектральних методів лежать тип спектру і мети дослідження. Емісійний метод дозволяє вивчити спектри випромінювання і дає інформацію про склад речовини. Для отримання даних його піддають розряду електричної дуги. Різновидом цього методу є фотометрія полум'я. Спектри поглинання досліджуються абсорбційним способом. Вищеперелічені варіанти ставляться до якісного аналізу речовини. Кількісний спектральний аналіз порівнює інтенсивність спектральної лінії досліджуваного об'єкта і речовини відомої концентрації. До таких методів слід віднести атомно-абсорбційний, атомно-флуоресцентний та люмінесцентний аналізи, турбидиметрию, нефелометрию.

Основи електрохімічного аналізу речовин

Електрохімічний аналіз використовує електроліз для дослідження речовини. Реакції проводяться у водному розчині на електродах. Вимірюванню підлягає одна з наявних характеристик. Дослідження проводиться в електрохімічній комірці. Це посудина, в який поміщені електроліти (речовини з іонною провідністю), електроди (речовини з електронною провідністю). Електроди і електроліт взаємодіють між собою. При цьому струм подається ззовні.

Класифікація електрохімічних методів

Класифікують електрохімічні методи виходячи з явищ, на яких засновані фізико-хімічні дослідження. Це методи з накладенням стороннього потенціалу і без нього. Кондуктометрія є аналітичним методом і вимірює електричну провідність G. При кондуктометрическом аналізі, як правило, використовується змінний струм. Кондуктометрическое титрирование – більш поширений метод дослідження. На цьому методі засновано виготовлення портативних кондуктометров, які застосовуються для хімічних досліджень води. При проведенні потенціометрії вимірюють ЕРС оборотного гальванічного елемента. Метод кулонометрії визначає кількість електрики, витраченої під час електролізу. Вольтамперометрія досліджує залежність величини струму від прокладеного потенціалу.

Термічні методи аналізу речовин

Термічний аналіз спрямований на визначення зміни фізичних властивостей речовини під дією температури. Дані методи дослідження виконуються протягом невеликого проміжку часу і з невеликою кількістю досліджуваного зразка. Термогравіметрия – один з методів термічного аналізу, на який припадає реєстрація зміни маси об'єкта під впливом температури. Даний спосіб вважається одним з найбільш точних. Крім того, до термічних методів дослідження відносяться калориметрія, визначає теплоємність речовини, энтальпиметрия, заснована на дослідженні теплоємності. Також до їх числа слід віднести дилатометрию, яка фіксує зміну об'єму зразка під дією температури.

Хроматографічні методи аналізу речовин

Метод хроматографії є способом поділу речовин. Існує безліч видів хроматографії, основні з них: газовий, розподільчий, окисно-відновний, осадовий, іонообмінний. Компоненти в досліджуваному зразку розділяються між рухомою і нерухомою фазами. У першому випадку мова йде про рідинах або газах. Нерухома фаза є сорбентом – твердим речовиною. Компоненти зразка переміщуються в рухомий фазі вздовж нерухомої. По швидкості і часу проходження компонентів через останню фазу судять про їх фізичних властивостях.

Застосування фізико-хімічних методів дослідження

Найважливішим напрямком фізико-хімічних методів є санітарно-хімічне і судово-хімічне дослідження. Вони володіють деякими відмінностями. У першому випадку для оцінки проведеного аналізу використовуються прийняті гігієнічні нормативи. Вони встановлюються міністерствами. Санітарно-хімічне дослідження проводиться в порядку, встановленому епідеміологічною службою. У процесі використовуються моделі середовищ, які імітують властивості харчових продуктів. Також вони відтворюють умови експлуатації зразка. Судово-хімічне дослідження спрямоване на кількісне виявлення наркотичних, сильнодіючих речовин та отрут в організмі людини, харчових продуктах, медикаментозних препаратах. Експертиза проводиться за судовим рішенням.