ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Учебные курсы по химии
для студентов нехимических факультетов МГУ

МЕТОДЫ АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

Программа курса для студентов факультета наук о материалах МГУ

Пояснительная записка

Цель курса - ознакомить студентов с методами анализа веществ и материалов. Особое внимание уделено теоретическим основам методов обнаружения и определения и способам обработки аналитической информации. Курс составлен с учетом современных тенденций развития методов анализа веществ и материалов. Так, значительное внимание уделено рассмотрению инструментальных методов анализа, в том числе методов исследования поверхности. В процессе обучения усвоение теоретических основ улучшается и углубляется с помощью практических экспериментальных работ, на семинарских занятиях и при выполнении домашних заданий.
В рамках данного курса студенты получают экспериментальные навыки выполнения качественного и количественного анализа, учатся правильно выбирать наиболее целесообразную схему аналитической диагностики веществ и материалов.
Студенты I и II курсов изучают данный курс в течение  2  и  4 семестров.
В списке рекомендованной литературы представлены современные учебники и учебные пособия по методам анализа веществ и материалов

1.Общая методология и метрологические основы химического анализа

Предмет и структура аналитической химии. Химический анализ. Классификация методов анализа. Виды анализа. Аналитический сигнал.
          Общие характеристики анализа. Метод и методика анализа. Абсолютные и относительные методы анализа. Способы градуировочного графика, добавок и стандартов. Образцы сравнения и стандартные образцы. Выбор метода анализа. Этапы анализа.
Метрологические основы химического анализа.  Погрешности измеряемых величин.  Случайная и систематическая составляющая погрешности.  Воспроизводимость и правильность. Случайная погрешность. Случайная величина,  варианта, генеральная совокупность, выборка, функция распределения. Основные характеристики случайных величин для выборочной и генеральной совокупности. Воспроизводимость результатов анализа и методов (методик) в целом.  Диапазон определяемых содержаний. Чувствительность, ее характеристики. Доверительная вероятность и доверительный интервал для выборочного среднего.  Систематическая погрешность. Способы проверки и повышения правильности.

2.Типы химических реакций и процессов, используемых в методах анализа веществ и материалов

Основные типы химических реакций (кислотно-основные, комплексообразования, окисления-восстановления) и процессов (осаждение, экстракция, сорбция.). Описание равновесий. Идеальные и реальные системы. Общая и равновесная концентрации Термодинамические и концентрационные (реальные и условные) константы равновесий.
Скорость реакций. Факторы, влияющие на скорость. Кинетические уравнения. Катализаторы, ингибиторы. Автокаталитические реакции.
Равновесие в системе раствор – осадок, его количественные характеристики в идеальных и реальных системах. Ионная и молекулярная растворимости.  Факторы, влияющие на растворимость.
Кислотно-основное равновесие. Представления о кислотах и основаниях  Теория Бренстеда-Лоури.  Влияние природы растворителя на силу кислот и оснований. Буферные растворы и их свойства, буферная емкость
Равновесие комплексообразования, его количественные характеристики в реальных и идеальных системах. Типы  комплексных соединений,  используемых в химическом анализе. Органические реагенты  в  химическом  анализе.
Окислительно-восстановительное равновесие. Уравнение Нернста. Стандартный и реальный (формальный) потенциалы. Направление и глубина протекания реакций окисления-восстановления в идеальных и реальных системах.

3.Методы пробоотбора и пробоподготовки

Методы отбора проб и их подготовки к анализу.  Особенности отбора проб при анализе различных объектов. Представительность пробы. Основные операции пробоподготовки. Способы переведения пробы в растворенное состояние (растворение, термическое разложение, сплавление и спекание). Интенсификация пробоподготовки. Маскирование мешающих компонентов.

4.Методы концентрирования и разделения

Общие характеристики методов разделения и концентрирования. Классификация. Количественные характеристики (коэффициент распределения,  степень  извлечения, коэффициент концентрирования).  Использование осаждения и соосаждения для разделения и концентрирования.
Экстракция. Константа экстракции. Условия экстракции. Типы экстрагируемых соединений. Сочетание с последующими методами определения.
Сорбция в динамических и статических условиях. Основные типы сорбентов. Сочетание с последующими методами определения.
Применение концентрирования и разделения при анализе различных объектов.

5.Методы обнаружения

Химические и физические методы идентификации и обнаружения. Обнаружение основных компонентов и примесей. Дробный и систематический химический качественный анализ, схемы анализа смесей катионов и анионов. Реакции обнаружения катионов и анионов (образование малорастворимых и комплексных соединений, окислительно-восстановительные реакции). Хроматографические методы качественного анализа. Основные этапы качественного химического анализа неизвестного вещества (сплавы, шлаки, шламы, минералы и руды).

6. Методы определения

6.1. Химические методы

Гравиметрический метод анализа.  Методы отгонки и осаждения. Схема образования осадков. Органические и неорганические осадители. Требования  к осаждаемой и гравиметрической формам. Кристаллические и аморфные осадки.  Особенности образования коллоидно-дисперсных систем. Гомогенное осаждение. Загрязнение осадков. Метрологические характеристики и области применения.
Титриметрические методы анализа.  Требования к реакции,  положенной в основу метода. Классификация титриметрических методов и их метрологические характеристики. Эквивалент и фактор эквивалентности. Первичные и вторичные стандартные растворы. Способы индикации конечной точки титрования. Кривые титрования, способы их расчета и построения.  Скачок титрования. Точка эквивалентности и конечная точка титрования. Способы индикации конечной точки титрования. Индикаторные погрешности. Области применения титриметрических  методов анализа.
Кислотно-основное титрование,  кривые титрования, индикаторы, аналитические возможности. Комплексонометрическое титрование,  кривые титрования, индикаторы, аналитические возможности. Окислительно-восстановительное титрование, кривые титрования, индикаторы. Основы и аналитические возможности методов дихроматометрии, иодометрии, перманганатометрии.
Кинетические методы анализа. Индикаторные реакции. Способы измерения концентраций по данным кинетических измерений. Метрологические характеристики и области применения.

6.2. Электрохимические методы

Электрохимические методы анализа. Классификация электрохимических методов. Измеряемые параметры и их взаимосвязь. Электрохимическая реакция. Электрохимическая ячейка: гальванический элемент, электролитическая ячейка. Индикаторные электроды и электроды сравнения, требования к ним.
Потенциометрические методы анализа. Обратимость электрохимических систем.  Металлические и мембранные индикаторные электроды. Ионометрия. Уравнение Никольского. Потенциометрическое титрование. Способы определения конечной точки титрования. Метрологические характеристики и области применения.
Кулонометрические методы анализа. Законы Фарадея. Прямая кулонометрия и кулонометрическое титрование. Способы определения количества электричества. Химические интеграторы тока. Способы получения электрогенерированных титрантов. Метрологические характеристики и области применения.
Вольтамперометрические методы анализа. Полярография. Условия регистрации и характеристики полярограммы. Уравнение Ильковича. Уравнение обратимой полярографической волны. Способы повышения чувствительности (осциллографическая, дифференциальная, импульсная и переменнотоковая полярография, инверсионная вольтамперометрия). Амперометрическое титрование. Метрологические характеристики и области применения.

6.3. Спектроскопические методы

Классификация методов. Основные характеристики электромагнитного излучения. Электромагнитный спектр.  Абсорбционные и эмиссионные спектры,  формы их представления. Спектральные линии и полосы, их основные характеристики. Форма оптических спектров атомов и молекул.  Методология использования спектров для качественного и количественного анализа.
Атомная эмиссионная спектроскопия. Типы атомизаторов и их назначение. Физико-химические процессы, протекающие в атомизаторе. Фотоэлектрический и фотографический способы регистрации спектров. Основные принципы качественного анализа. Количественный анализ, помехи и способы их устранения. Сравнение различных вариантов метода, их метрологические характеристики и области применения.
Атомно-абсорбционная спектроскопия. Основные типы атомизаторов: пламена различного состава,  электротермические  атомизаторы.  Источники излучения и требования к ним. Количественный анализ. Метрологические характеристики и области применения.
Молекулярная абсорбционная спектроскопия (спектрофотометрия) в видимой и УФ областях. Основные типы  источников излучения и монохроматоров. Закон Бугера-Ламберта-Бера и причины отклонения от него.    Закон аддитивности оптических плотностей.  Анализ многокомпонентных смесей и изучение равновесий в растворах.  Дифференциальная  спектрофотометрия. Метрологические характеристики и области применения .
Молекулярная абсорбционная ИК спектроскопия. Источники и детекторы излучения. Качественный и количественный молекулярный  и функциональный анализ.  Метрологические характеристики метода и области применения.
Спектроскопия комбинационного рассеяния света.  Сущность явления.  КР- и ИК-спектры и связь между ними.  Возможности метода.
Молекулярная люминесцентная спектроскопия.  Механизмы флуоресценции, замедленной флуоресценции и фосфоресценции. Понятие о механизме люминесценции твердых тел. Правило Стокса-Ломмеля. Правило зеркальной симметрии. Энергетический и квантовый выходы люминесценции. Зависимость интенсивности люминесценции от концентрации вещества, причины  ее  отклонения от линейности.  Метрологические характеристики и области применения метода. Рекомбинационная люминесценция в твердых веществах. Виды градуировочных характеристик при люминесцентном анализе твердых проб. Анализ тонких слоев. Сущность атомно-флуоресцентной спектроскопии.

6.4. Хроматографические методы

Определение хроматографии. Классификация по агрегатному состоянию фаз, механизму удерживания и технике выполнения. Способы получения хроматограмм и характеристики хроматографических пиков. Основное уравнение хроматографии. Селективность и эффективность хроматографического разделения. Сущность теории теоретических тарелок и кинетической теории. Разрешение как фактор оптимизации хроматографического процесса. Газовая и жидкостная хроматографии, области применения.

6.5. Физические методы

Рентгеновская спектроскопия.  Генерация рентгеновского излучения. Закон Мозли. Методы рентгеновского анализа. Закон Вульфа-Брегга. Рентгеновские спектрометры.  Рентгенофлуоресцентный анализ. Квантометры.  Подготовка проб к анализу.  Способы построения градуировочных зависимостей.  Рентгенофлуоресцентный и распределительный локальный анализ. Метрологические характеристики и области применения.
Масс-спектральный анализ. Способы ионизации веществ и основные разновидности масс-спектрального анализа: искровая, лазерная масс-спектрометрия, масс-спектрометрия вторичных ионов, термоионизация, ионизация пучком электронов. Масс-анализаторы. Масс-спектральное разрешение и пределы обнаружения элементов. Качественный и количественный анализ. Определение примесей в высокочистых веществах. Молекулярный масс-спектральный анализ. Виды фрагментации. Хроматомасс-спектрометрия. Метрологические характеристики и области применения.
Ядерно-физические методы анализа. Радионуклиды. Ядерные реакции.  Нейтронно-активационный,  гамма-активационный анализ.  Активация заряженными частицами. Мессбауэровская спектроскопия. Ядерный магнитный резонанс. Метрологические характеристики и области применения.

Рекомендуемая литература
Основная

1. Основы аналитической химии (под ред. Ю.А. Золотова). В 2-х кн. Общие вопросы. Методы разделения. Методы химического анализа. М.: Высшая школа. 2004. Серия «Классический университетский учебник».
2. Основы аналитической химии. Практическое руководство. Учебное пособие для вузов. Под ред. Ю.А. Золотова. М.: Высшая школа. 2001.
 3. Основы аналитической химии. Задачи и вопросы. Учебное пособие для вузов. Под ред. Ю.А. Золотова. М.: Высшая школа. 2002.
4. Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа. М.: Мир, 1989

Дополнительная
1. Отто М. Современные методы аналитической химии. В 2-х томах. / Пер. с нем. под ред А.В. Гармаша . М.: Техносфера. 2003
2. Скуг Д., Уэст Д. Основы аналитической химии. В 2-х т. М.: Мир, 1979, Т.1-2.
3. Будников Г.К., Майстренко В.Н., Вяселев М.Р. Основы современного электро-химического анализа. Учебное пособие для вузов. М.: Мир, 2003.
4. Фельдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок. М.: Мир, 1989
5. Методы анализа поверхностей. / Под ред. А.Зандерны. М.: Мир, 1979.
6. Нефедов В.И., Черепин В.Т. Физические методы исследования поверхности твердых тел. М.: Наука, 1983.

Программа составлена
д.х.н. Моросановой Е.И.
Отв. редактор - академик Ю.А.Золотов