ТЕМА: Предмет фізичної та колоїдної хімії
Як основа інструментальних та фізико-хімічних методів аналізу
Сировини та матеріалів.
Всі відомі хімічні реакції незалежно від природи реагуючих речовин супроводжуються різними фізичними явищами – виділенням чи поглинанням теплоти, світла, зміною об’єму , виникненням електричного струму та інше.
Повне пізнання цих процесів можливе лише при сумісному вивченні фізичних та хімічних явищ.
Фізична хімія – це наука, яка вивчає зв’язки та взаємні переходи між хімічними та фізичними формами рухливої матерії. Як гранична наука вона вивчає об’єкт з декількох сторін. Знання законів фізичної хімії дозволяє зрозуміти сутність хімічних процесів та свідомо вибирати найбільш сприятливі умови для їх практичного здійснення.
В основі багатьох технологічних процесів одержання металів та їх сплавів, пластмас, хімічних волокон, лікарських препаратів, харчових продуктів лежать закони фізичної хімії. Такі розповсюджені у різних сферах товарознавчо-експертної діяльності, як випарювання, сепарація, дистиляція, сушка, екстрагування, кристалізація, розчинність можуть бути зрозумілі та здійснені на основі законів фізичної хімії. Усі біохімічні процеси, які лежать в основі зберігання сировини та продуктів її переробки підпорядковуються законам фізичної хімії.
Фізична хімія має декілька основних розділів, які характеризують напрямок цієї науки, та визначають її предмет.
Будова речовини – розділ фізичної хімії, який вивчає будову атомів, молекул, а також природу хімічного зв’язку. Фізика вивчає оптичні, магнітні та електричні властивості молекул та атомів, хімія – хімічні властивості молекул та атомів. Фізичні дослідження збагачують та доповнюють хімічні дослідження.
Хімічна термодинаміка – розділ фізичної хімії, в якому на основі законів термодинаміки (перехід теплоти в механічну роботу) встановлюється взаємозв’язок між різними видами енергії, вивчається можливість, направленість та межі самоплинних процесів ( в цьому розділі вивчаються хімічні реакції, фазові переходи кристалізації, розчинність, випарювання, адсорбція, перехід хімічної енергії від однієї частини системи до іншої у різних хімічних процесах, тепловий ефект реакцій).
Вчення про розчини– відомо, що розчини займають проміжне положення між хімічними сполуками та фізичними сумішами. В даному розділі вивчається природа розчинів, структура, властивості.
Електрохімія – розглядає зв’язок хімічних та електричних процесів, розкриває закони, що лежать в основі цього взаємозв’язку.
Хімічна кінетика – вчення про швидкість хімічних реакцій та їх залежність від температури, тиску, концентрації, каталізатора, середовища та інше. Засоби регулювати та направляти хід різних хімічних реакцій.
Фотохімія – розділ фізичної хімії, який вивчає хімічні реакції, що викликані електромагнітним випромінюванням (фотосинтез, люмінесценція).
Колоїдна хімія – розділ фізичної хімії, який перетворився в самостійну науку. Колоїдна хімія вивчає фізико-хімічні властивості систем, в яких одна речовина у вигляді окремих частинок ( 10-7 – 10-3 см) поділена в іншій речовині. Частинки в таких системах мають більшу сумарну поверхню, що й визначає особливі властивості колоїдних систем. Сировина та продукти її переробки в значній мірі являють собою колоїдні та високомолекулярні системи.
Знання фізичної та колоїдної хімії дозволяє розробити наукову систему технохімічного контролю, з успіхом проводити товарознавчо-експертний контроль якості продовольчих та непродовольчих товарів.
Загальна характеристика фізико-хімічних методів дослідження сировини та матеріалів.
Аналіз багатьох матеріалів, які йдуть на виробництво непродовольчих товарів, контроль якості сільськогосподарської сировини при її зберіганні та переробці, екологічна чистота та якість харчових продуктів у різних сферах виробництва йде з допомогою хімічних, фізико-хімічних та фізичних методів аналізу.
Для аналізу сировини та матеріалів широко застосовують хімічні реакції, які супроводжуються зміною фізичних властивостей (колір, інтенсивність забарвлення, прозорість, електропровідність, теплопровідність, магнітні, оптичні, радіоактивні та інші). Всі методи такого роду об’єднуються під загальною назвою “фізико-хімічні методи”. Вони базуються на основних теоретичних положеннях фізичної та колоїдної хімії.
Сутність фізико-хімічних методів аналізу зводиться до вивчення співвідношення між складом та властивостями даних систем. Визначення цієї залежності дає можливість виявити утворення нових стійких та нестійких хімічних сполук між компонентами, що досліджуються, вивчати вплив окремих компонентів на властивості всієї системи.
Розрізняють прямі та непрямі фізико-хімічні методи.
У прямих методах аналізу дана властивість є критерієм вмісту конкретної речовини, ці методи базуються на вивченні співвідношення (діаграм) “склад – властивість”.
У непрямих методах певна властивість є показником ( подібно індикатору) кінця реакції, тобто у непрямих методах дана властивість досліджуваної речовини використовується для фіксування кінця процесу взаємодії ( наприклад, процесу нейтралізації).
Широке розповсюдження фізико-хімічних методів аналізу, в першу чергу, пов’язано з тим, що ці методи мають значно більшу чутливість на відміну від хімічних методів. Так, хімічними методами визначається концентрація речовини порядку 10-5 моль/л, а фізико-хімічними методами можна визначити концентрацію менше приблизно на 5 порядків меншу 10-9 – 10-10 моль/л.
В практиці все більше місця займає визначення слідів речовини, а є перевага фізико-хімічних методів. Іншою перевагою цих методів – їх селективність, тобто можливість різними фізико-хімічними методами визначати необхідний компонент.
В залежності від використаних властивостей розрізняють наступні групи фізико-хімічних методів:
І. Оптичні методи, базуються на дослідженні оптичних властивостей системи, що аналізуються
8. Рефрактометричний метод,
9. Фотометричний метод,
10. Поляриметричний метод,
11. Люмінесцентний метод,
12. Спектральний метод,
13. Турбідиметричний метод,
14. Нефелометричний метод.
ІІ. Електрохімічні методи, базуються на дослідженні електрохімічних властивостей систем, що аналізуються
5. Електроліз,
6. Кондуктометричний метод,
7. Потенціометричний метод,
8. Полярографічні методи.
ІІІ. Методи аналізу, що базуються на дослідженні інших властивостей системи, аналізуються
2. Мас-спектрометричний метод,
3. Термометричний метод,
4. Радіохімічний аналіз,
5. Метод електронного парамагнітного резонансу,
6. Метод електронного ядерного резонансу,
7. Аналіз на теплопровідність.
З фізико-хімічних методів розділення найважливіші:
- екстракція,
- іонний обмін,
- хроматографія.
Вимоги до фізико-хімічних методів аналізу.
Важливою характеристикою будь-якого фізико-хімічного методу є:
- чутливість (тобто повинні бути межі визначення) – це мінімальна концентрація досліджуваного компоненту, яка може бути визначена даним методом,
- правильність – близькість одержаного результату до істинного значення,
- точність результату – це його відображення, тобто аналіз вважається виконаним більш точно тоді, коли результати паралельних досліджень найменше відрізняються між собою. Це свідчить про відсутність значних випадкових помилок. Систематичні помилки можуть спостерігатися при неудосконаленому приладі та невірному виборі методу.