شیمی تجزیه Chemical Analysis
شیمی تجزیه Chemical Analysis
شیمی تجزیه
Chemical Analysis شیمی - مقالات
دید کلی
هدف یک تجزیه شیمیایی، فراهم آوردن اطلاعاتی درباره ترکیب نمونه‌ای از یک ماده‌است. در بعضی موارد اطلاعات کیفی در مورد حضور یا عدم حضور یک یا چند جزء در نمونه کافی است. در مواردی دیگر، اطلاعات کمی مورد نظر است. بدون در نظر گرفتن هدف نهایی، اطلاعات مورد نیاز در انتها، توسط اندازه گیری یکی از خواص فیزیکی بدست می‌آیند که این خاصیت بطور مشخص به جزء یا اجزاء سازنده مورد نظر مربوط است.
زمینه‌های تاریخی تجریه کیفی
به ابتکار «پروفسور رونالد بلچر» که به نارساییهای متعدد سیستم‌های تجزیه کیفی معدنی موجود پی برده و تصمیم به اصلاح این سیستم‌ها از طریق تحقیقات تجربی و به بحث گذاشتن موضوع در یک گروه از آنالیستهای باتجربه گرفته بود، موسسه MAQA (موسسه تجزیه کیفی میدلندز) تأسیس شد. هدفهای موسسه عبارت بود از تهیه طرحهایی برای توصیه در:
* بررسی سیستماتیک کاتیونهای معمولی مبتنی بر روشهای کلاسیک جا افتاده.
* بررسی آنیونها.
* بررسی عناصر غیر معمول.
* بررسی نامحلولها.
طرح MAQA یکی از سلسله سیستم‌های تجزیه کیفی هدف است که برخی از آنها به قرن هیجدهم برمی‌گردد. طرحهای قدیمی‌تر از بعضی جهات جالب‌اند، به این معنی که بسیاری از جداسازیها و واکنشهای انتخابی که هنوز هم جای خود را در اعمال تجزیه کیفی حفظ کرده‌اند، از آنها نشات گرفته‌است.
نیاز مبرم به تشخیص سنگها و مواد معدنی مفید موجب پدید آمدن تجزیه کیفی معدنی شد. در نتیجه، در جاهایی که صنایع پیشرفته استخراج شکوفا می‌شد، این هنر رشد سریعی کرد که نمونه بارز آن، در سوید بود. بدون آن که حق سایر بنیانگذاران تجزیه را فراموش کرده باشیم، شیمیدان سویدی به نام «توربون برگمن» را ممکن است بتوان به‌عنوان بنیانگذار تجزیه کیفی سیستماتیک معرفی کرد.
رده بندی روشهای تجزیه‌ای
رده بندی روشهای تجزیه‌ای معمولاً بر طبق خاصیتی است که در فرآیند اندازه گیری نهایی مشاهده می‌شود. در جدول زیر فهرستی از مهم‌ترین این خاصیتها و همچنین نام روشهایی که مبتنی بر این خاصیتها هستند، دیده می‌شود. بر این نکته توجه داشته باشیم که تا حدود سال ۱۹۲۰ تقریباً تمام تجزیه‌ها براساس دو خاصیت جرم و حجم قرار داشتند. در نتیجه، روشهای وزنی و حجمی به نام روشهای کلاسیک تجزیه‌ای شهرت یافته‌اند.
بقیه روشها شامل روشهای دستگاهی است. علاوه بر تاریخ توسعه این روشها، جنبه‌های معدودی روشهای دستگاهی را از روشهای کلاسیک جدا و متمایز می‌سازند. بعضی از تکنیکهای دستگاهی حساستر از تکنیکهای کلاسیک هستند. ولی بعضیها حساستر نیستند. با ترکیب خاصی از عناصر یا ترکیبات، یک روش دستگاهی ممکن است بیشتر اختصاصی باشد. در مواردی دیگر، یک روش حجمی یا وزنی، کمتر در معرض مزاحمت قرار دارد. مشکل است که گفته شود که کدامیک از نظر صحت، راحتی و صرف زمان بر دیگری برتری دارد.
همچنین این مساله درست نیست که روشهای دستگاهی، الزاما دستگاههای گرانتر یا پیچیده‌تری را بکار می‌گیرند و در حقیقت، استفاده از یک ترازوی خودکار نوین در یک تجزیه وزنی شامل دستگاه ظریفتر و پیچیده‌تری در مقایسه با بسیاری از روشهای دیگری است که در جدول زیر ثبت شده‌اند.
روشهای تجزیه‌ای مبتنی بر اندازه گیری خاصیت خاصیت فیزیکی که اندازه گیری می‌شود. وزنی جرم حجمی حجم طیف نورسنجی (اشعه ایکس، ماوراء بنفش، مریی، IR)؛ رنگ سنجی ؛ طیف بینی اتمی ؛ رزونانس مغناطیسی هسته و رزونانس اسپین الکترون جذب تابش طیف بینی نشری (اشعه ماوراء بنفش، ایکس، مریی)؛ نور سنجی شعله‌ای؛ فلویورسانس (اشعه ایکس، فرابنفش و مریی) ؛ روشهای رادیوشیمیایی نشر تابش کورسنجی، نفلومتری، طیف بینی رامان پراکندن تابش شکست سنجی و تداخل سنجی شکست تابش روشهای پراش اشعه ایکس و الکترون پراش تابش قطبش سنجی، پاشندگی چرخش نوری و دو رنگی نمایی دورانی چرخش تابش پتانسیل سنجی، پتانسیل سنجی با زمان پتانسیل الکتریکی رسانا سنجی رسانایی الکتریکی پلاروگرافی، تیتراسیونهای آمپرسنجی جریان الکتریکی کولن سنجی کمیت الکتریسیته طیف سنجی جرمی نسبت جرم به بار.
روشهای رسانایی حرارتی و آنتالپی خواص گرمایی روشهای جداسازی در بیشتر موارد، تجزیه یک نمونه از ماده، قبل از اندازه گیری فیزیکی نهایی آن، ابتدا احتیاج به یک یا چند مرحله زیر دارد:
* نمونه برداری، برای فراهم کردن نمونه‌ای که ترکیب آن، نماینده توده ماده باشد.
* تهیه و انحلال مقدار معینی از نمونه
* جداسازی گونه مورد اندازه گیری از اجزاء سازنده‌ای که در سنجش نهایی مزاحمت ایجاد می‌کنند.
این مراحل معمولاً بیشتر از خود اندازه گیری نهایی تولید مزاحمت می‌کنند و خطاهای بزرگ‌تری را باعث می‌شوند. روشهای جداسازی به این دلیل مورد احتیاج‌اند که خواص فیزیکی و شیمیایی مناسب برای اندازه گیری غلظت معمولاً بین چندین عنصر یا ترکیب مشترک است. در بررسی مواد بسیار نزدیک و مرتبط به هم، مشکل جداسازی بیشترین اهمیت را می‌یابد و لذا نیاز به تکنیکهایی نظیر کروماتوگرافی، تقطیر جزء به جزء، استخراج ناهمسو و یا الکترولیز در پتانسیل کنترل شده دارد.
انتخاب روش برای یک مسیله تجزیه‌ای جدول مذکور، حاکی از این است که برای شیمیدانی که با یک مسیله تجزیه‌ای روبرو است، غالبا روشهای متعددی وجود دارند که وی می‌تواند یکی از آنها را انتخاب کند. مدت زمانی که او باید برای کار تجزیه صرف کند و کیفیت نتایج حاصل، بنحوی حساس، به این انتخاب بستگی دارد. شیمیدان برای اخذ تصمیم خود در مورد انتخاب روش، باید پیچیدگی ماده مورد تجزیه، غلظت گونه مورد نظر، تعداد نمونه‌هایی که باید تجزیه شوند و دقت مورد نیاز را در نظر گیرد.
پس از این، انتخاب وی به دانش او در مورد اصول اساسی که زیر بنای هر یک از این روشهای قابل دسترسی است و در نتیجه قدرت و محدودیت این روشها بستگی خواهد داشت.
دستگاهوری در تجزیه
در مفهومی بسیار وسیع، یک دستگاه که برای تجزیه شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد، داده‌های کمی تولید نمی‌کند، بلکه در عوض بسادگی اطلاعات شیمیایی را به شکلی تبدیل می‌کند که آسانتر قابل مشاهده‌است. بنابراین به دستگاه می‌توان به صورت یک وسیله ارتباطی نگریست. دستگاه این هدف را در مراحل مختلف زیر انجام می‌دهد:
* تولید یک علامت
* تبدیل این علامت به علامتی با ماهیت متفاوت (تبدیل نامیده می‌شود).
* تقویت علامت تبدیل شده
* ارایه این علامت به صورت یک جابجایی بر روی یک صفحه مندرج یا صفحه یک ثبات.
لزومی ندارد که تمام این مراحل مجموعا در هر دستگاه انجام گیرد. در نتیجهٔ ظهور این همه مدارات الکترونیکی در آزمایشگاه، یک شیمیدان امروزی خود را با این سوال روبرو می‌بیند که چه مقدار الکترونیک باید بداند تا بتواند موثرترین استفاده را از وسایل موجود برای تجزیه، بکند. مهم برای یک شیمیدان این است که قسمت عمده کوشش خود را به اصول شیمیایی، اندازه گیریها و محدودیتها و قوتهای ذاتی آن معطوف دارد.
دید کلی
شیمی تجزیه نقش حیاتی را در توسعه علوم مختلف به عهده دارد، لذا ابداع فنون جدید تجزیه و بسط و تکامل روشهای تجزیه شیمیایی موجود ، آنقدر سریع و گسترده است که اندکی درنگ در تعقیب رویدادهای تازه سبب بوجود آمدن فاصله‌های بسیار زیاد علمی خواهد شد. نقش این فنون در فعالیتهای تولیدی روز به روز گسترده‌تر و پردامنه‌تر می‌گردد. امروزه ، کنترل کیفیت محصولات صنعتی و غیر صنعتی ، جایگاه ویژه‌ای دارد که اساس این کنترل کیفیت را تجزیه‌های شیمیایی انجام شده به کمک روشهای مختلف تجزیه‌ای تشکیل می‌دهد.
سیر تحولی و رشد
اصولا توسعه و تغییر پایدار در فنون و روشهای تجزیه وجود دارد. طراحی دستگاه بهتر و فهم کامل مکانیسم فرآیندهای تجزیه‌ای ، موجب بهبود پایدار حساسیت ، دقت و صحت روشهای تجزیه‌ای می‌شوند. چنین تغییراتی به انجام تجزیه‌های اقتصادی‌تر کمک می‌کند که غالبا به حذف مراحل جداسازی وقت گیر ، منجر می‌شوند. باید توجه داشت که اگر چه روشهای جدید تیتراسیون مانند کریوسکوپی ، Pressuremetriz ، روشهای اکسیداسیون _ احیایی و استفاده از الکترود حساس فلوئورید ابداع شده‌اند، هنوز از روشهای تجزیه وزنی و تجزیه جسمی (راسب کردن ، تیتراسیون و استخراج بوسیله حلال) برای آزمایشهای عادی استفاده می‌شود.
به هر حال در چند دهه اخیر ، تکنیکهای سریعتر و دقیق‌ترِی بوجود آمده‌اند. در میان این روشها می‌توان به اسپکتروسکوپی ماده قرمز ، ماورای بنفش و اشعه X اشاره کرد که از آنها برای تشخیص و تعیین مقدار یک عنصر فلزی با استفاده از خطوط طیفی جذبی یا نشری استفاده می‌گردد. سایر روشها عبارتند از:
* کالریمتری (رنگ سنجی) که به توسط آن یک ماده در محلول بوسیله شدت رنگ آن تعیین می‌شود.
* انواع کروماتوگرافی که به توسط آنها اجزای یک مخلوط گازی بوسیله آن از درون ستونی از مواد متخلل یا از روی لایه‌های نازک جامدات پودری تعیین می‌گردند.
* تفکیکی محلولها در ستونهای تبادل یونی
* آنالیز عنصر ردیاب رادیواکتیو.
* ضمنا میکروسکوپی الکترونی و اپتیکی ، اسپکترومتری جرمی ، میکروآنالیز ، طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) و رزونانس چهار قطبی هسته نیز در همین بخش طبقه بندی می‌شوند.
خودکارسازی روشهای تجزیه‌ای در برخی موارد با استفاده از رباتهای آزمایشگاهی ، اهمیت روزافزونی پیدا کرده است. چنین شیوه‌ای ، انجام یکسری تجزیه‌ها را با سرعت ، کارایی و دقت بهتر امکانپذیر می‌سازد. میکروکامپیوترها با قابلیت شگفت‌انگیز نگهداری داده‌ها و بسته‌های نرم افزار گرافیکی بطور قابل ملاحظه‌ای موجبات جمع آوری ، نگهداری ، پردازش ، تقوبت و تفسیر داده‌های تجزیه‌ای را فراهم می‌آورند.
انواع تجزیه
وقتی آزمایش به شناسایی یک یا چند چیز جز از یک نمونه (شناسایی مواد) محدود می‌گردد، تجزیه کیفی نامیده می‌شود، در حالی که اگر آزمایش به تعیین مقدار یک گونه خاص موجود در نمونه (تعیین درصد ترکیب در مخلوطها یا اجزای ساختمانی یک ماده خالص) محدود گردد، تجزیه کمی نامیده می‌شود. گاهی کسب اطلاعاتی در زمینه آرایش فضایی اتمها در یک مولکول یا ترکیب بلورین ضروری است، یا تاکید حضور یا موقعیت برخی گروههای عامل آلی در یک ترکیب مورد تقاضا است، چنین آزمایشهایی تحت عنوان تجزیه ساختمانی نامیده می‌شوند و ممکن است با جزئیاتی بیش از یک تجزیه ساده مورد توجه قرار گیرند.
ماهیت روشهای تجزیه‌ای
روشهای تجزیه‌ای معمولا به دو دسته کلاسیک و دستگاهی طبقه بندی می‌شوند. روشهای کلاسیک شامل روشهای شیمیایی مرطوب ، نظیر وزن سنجی و عیار سنجی است. در واقع تفاوت اساسی بین روشهای دو دسته وجود ندارد. همه آنها مشتمل بر وابستگی یک اندازه گیری فیزیکی به غلظت آنالیت می‌باشند. در حقیقت روشهای تجزیه‌ای محدودی وجود دارند که صرفا دستگاهی‌اند و یا بیشتر آنها متضمن مراحل شیمیایی متعددی قبل از انجام اندازه گیری دستگاهی هستند.
کاربردهای شیمی تجزیه
کنترل کیفیت محصول
بیشتر صنایع تولیدی نیازمند به تولید با کیفیت یکنواخت هستند. برای کسب اطمینان از برآورده شدن این نیازمندی مواد اولیه و همچنین محصول نهایی تولید ، مورد تجزیه‌های شیمیایی وسیعی قرار می‌گیرند.
نمایش و کنترل آلوده کننده‌ها
فلزات سنگین پسمانده‌های صنعتی و حشره کشهای آلی کلردار ، دو مشکل کاملا شناخته شده مربوط به ایجاد آلودگی هستند. به منظور ارزیابی چگونگی توزیع و عیار یک آلوده کننده در محیط ، به یک روش تجزیه‌ای حساس و صحیح نیاز است و در کنترل پسابهای صنعتی ، تجزیه شیمیایی روزمره حائز اهمیت است.
مطالعات پزشکی و بالینی
عیار عناصر و ترکیبات مختلف در مایعات بدن ، شاخصهای مهمی از بی نظمی‌های فیزیولوژیکی می‌باشند. محتوی قند بالا در ادرار که نشانه‌ای از یک حالت دیابتی است و وجود سرب در خون ، از شناخته‌ترین مثالها در این زمینه می‌باشد.
عیارگیری
از دیدگاه تجارتی در برخورد با مواد خام نظیر سنگهای معدنی ، ارزش سنگ معدن ، از روی فلز موجود در آن تعیین می‌شود. این موضوع ، مواد با عیار بالا را نیز غالبا شامل می‌شود. بطوری که حتی تفاوت کم در غلظت می‌تواند از نظر تجاری تاثیر قابل ملاحظه‌ای داشته باشد. بنابراین یک روش تجزیه‌ای قابل اعتماد و صحیح از اهمیت اساسی برخوردار است.
آینده شیمی تجزیه
بروز مشکلات تجزیه‌ای در شکلهای جدیدش ادامه دارد. میزان تقاضای مربوط به انجام تجزیه در ابعاد وسیع توسط بسترهای دستگاهی بطور مداوم در حال افزایش است. کاوشهای فضایی ، نمونه‌های گمانه زنی و مطالعات اعماق دریاها مثالهایی از نیازهای قابل طرح می‌باشند. در دیگر زمینه‌ها نظیر مطالعات محیطی و بالینی ، فرم شیمیایی و دقیق یک عنصر در یک نمونه و نه غلظت کلی آن ، اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده است. دو مثال کاملا شناخته شده در این زمینه ، میزان سمیت بسیار زیاد ترکیبات آلی جیوه و سرب در مقایسه با ترکیبات مشابه معدنی است
