На практике все достижения аналитической химии как науки реализуются в конечном её продукте – методике химического анализа конкретного объекта.
Бывают методики качественного химического анализа и методики количественного химического анализа вещества объекта анализа. Процедуры качественного и количественного химического анализа могут быть описаны последовательно в одной методике.
Методика химического анализа вещества объекта анализа – документ, в котором в соответствии с используемым методом анализа описана последовательность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результата химического анализа конкретного вещества конкретного объекта анализа с установленными характеристиками погрешности или неопределенностью для методик количественного анализа, а для методик качественного анализа – с установленной достоверностью.
Результат химического анализа может быть представлен, например, таким образом: по методике качественного анализа путём проведения качественных реакций установлено, что с достоверностью 100 % в пробе вещества руды Бакчарского месторождения есть железо; по методике количественного анализа методом дихроматометрии установлено, что содержание железа в пробе вещества руды Бакчарского месторождения составляет (40 ± 1) % с доверительной вероятностью 0,95.
Каждая методика химического анализа построена на использовании какого-либоодного метода химического анализа.
Примеры названий методик химического анализа:
Методика измерений массовых концентраций ионов кадмия, меди и свинцав питьевых, природных и сточных водах методом инверсионной вольтамперометрии.
Методика выполнения измерений массовой концентрации полихлорированных дибензо-п-диоксинов и дибензофуранов в пробах атмосферного воздуха методом хромато-масс-спектрометрии.
Методика выполнения измерений массовой доли тяжелых металлов в почвах и грунтах с применением рентгенофлуоресцентных анализаторов типа Х‑МЕТ, фирма METOREX (Финляндия).
Химический анализ вещества – это сложный многостадийный процесс, он проводится в определенной последовательности, которая обычно описана в методике анализа конкретного объекта.
Анализ любых проб вещества, в том числе и проб вещества экологических объектов, проводится в определённой последовательности его этапов:
1. Отбор проб вещества (в полевых условиях в экологии);
2. Получение представительной лабораторной и аналитической пробы анализируемого вещества;
3. Подготовка пробы анализируемого вещества к измерениям аналитического сигнала;
4. Создание условий для измерений и подготовка средств измерения;
5. Подготовка вещества сравнения (эталона);
6. Проведение прямых измерений аналитического сигнала эталонов и подготовка способа сравнения с эталоном при применении физических методов анализа;
7. Проведение прямых измерений аналитического сигнала анализируемой пробы вещества;
8. Обработка результатов прямых измерений – идентификация компонентов и расчет содержания определяемого компонента в пробе анализируемого вещества (косвенные измерения);
9. Оценка приемлемости результата химического анализа путём проверки его прецизионности (повторяемости, воспроизводимости) и правильности;
10. Оформление результатов химического анализа пробы вещества объекта анализа.
Эколог обязан пользоваться услугами аналитических лабораторий, аккредитованных на право выполнять химический анализ вещества объектов окружающей среды Аккредитованной считается юридически независимая лаборатория, сотрудники которой подтвердили неоднократно свою техническую компетентность. Методика должна относиться к категории национального (ГОСТ) или отраслевого (ОСТ) стандарта или отраслевым документом (РД, ПНД Ф).
Пример требований к организационным документам по охране атмосферного воздуха в лаборатории предприятия по контролю негативного воздействия на окружающую среду. В лаборатории должны быть в наличии следующие документы:
- положение о лаборатории, ее паспорт;
- документы по аккредитации (аттестации);
- свидетельства о поверке средств измерений органами государственной метрологической
службы;
- паспорта на государственные стандартные образцы состава и свойств контролируемых объектов;
- результаты внутреннего и внешнего контроля качества выполняемых измерений;
- акты отбора проб и журналы их регистрации;
- аттестованные методики выполнения измерений;
- журналы результатов контроля воздействий на окружающую среду.
Содержание компонента в пробе вещества объекта анализа
Результат количественного химического анализа пробы вещества, в том числе и экологического объекта, выражают через массовую долю w (А) или массовую концентрацию определяемого компонента А, Сm(А).
Эколог, например, при оценке загрязнения вещества объектов окружающей среды, отдает на химический анализ в аналитическую лабораторию отобранные пробы твердых, жидких, газообразных, либо гетерофазных веществ массой до 1 кг. Его интересует полный химический состав или содержание какого-то одного или нескольких компонентов (в виде атомов, изотопов, ионов, молекул или обладающих одинаковыми свойствами группы молекул) в пробе вещества объекта анализа – в почвах, в растениях, в донных отложениях, в природных водах, в атмосферном воздухе и других экологических объектах.
Содержание компонента в пробах твердого вещества выражают в единицах измерения % или г/кг, которое рассчитывают через полученное как результат анализа значение массовой доли компонента, безразмерной величины.
Массовая доля w (А) компонента А – это отношение массы m (А) компонента А, находящегося в пробе вещества, к общей массе пробы вещества, m (вещ), пошедшей на анализ:
w (А) = m (А) / m (вещ), б/р
Массовая доля компонента А в пробе веществаможет быть пересчитана в его процентное содержание:
w (А) = [m (А) / m (вещ)]×100, %
Объёмная доля жидкого компонента А в пробе жидкого вещества или газообразного компонента А в пробе газообразного вещества рассчитывают как:
w (А) = [V (А) / Vобщ] 100, %,
где V (А) – объем жидкого или газообразного компонента А в общем объеме Vобщ пробы жидкого или газообразного вещества;
В международной практике используют способ выражения массовой доли как одна часть какого-то компонента на большое количество других частей:
· частей на сто, %, pph, г∙100/кг;
· частей на тысячу, ‰, ppt, г/кг;
· частей на миллион, ppm, мг/кг, г/т;
· частей на миллиард, ppb, мкг/кг, мг/т;
Для количественной характеристики содержания компонента А в жидком и газообразном веществе введено понятие концентрации компонента А.
Концентрация компонента А (С(А)) – величина, характеризующая относительное содержание данного компонента в многокомпонентном веществе и определяется как отношение количества частиц компонента А (молярная концентрация компонента А, молярная концентрация эквивалента компонента А) или массы компонента А ( массовая концентрация компонента А), отнесенная к определённому объёму жидкого или газообразного вещества.
Концентрация компонента всегда является именованной величиной, она имеет смысл для компонента А сконкретным названием. Это нашло отражение и в определении концентрации, в котором подчеркивается, что речь идет об относительном содержании данного компонента в объёме многокомпонентного жидкого или газообразного вещества.
Основной единицей измерения количества частиц компонента (n) в Международной системе единиц физических величин (система СИ), принятой к применению в СССР в 1984 году, является 1 моль. 1 моль частицлюбогокомпонента, представляющий для нас интерес в виде таких структурных химических единиц как атом (элемент), изотоп, функциональная группа, в том числе ион, или молекула, содержит 6,022 × 1023 таких частиц в каком-либо объёме или массе вещества. Тысячная часть 1 моль (дольная единица) обозначается ммоль ( читается миллимоль).
Количество частиц компонента А (n (А)) в какой-либо массе компонента А (m (А)) рассчитывают по формуле:
n (А) = m (А) / М (А), моль,
где m (А) – масса компонента А, г; М (А) – относительная молярная масса компонента А, г/моль;
В международной системе единиц физических величин, согласно ГОСТ 8.417-2002 «ГСИ. Единицы величин», основные наименования концентрации компонентов в объёме жидкого или газообразного вещества – это молярная концентрация компонента, моль/м3, и массовая концентрация компонента, кг/м3.
Молярная концентрация компонентаА в растворе – См (А) – это содержание количества частиц компонента А n (А) в единице объема V жидкого или газообразного вещества, рассчитывается как:
См (А) = n (А) / V; или См (А) = m (А) / [М (А) V.]
Молярная концентрация компонента измеряется в моль/м3; используются и дольные единицы – моль/дм3, ммоль/дм3 и т.д. (для внутрилабораторного использования допускается единица моль/л.)
Пример формы записи в документах: См(NaCl) = 0,1 моль/дм3 = 0.1 ммоль/см3 (в аналитической практике для внутреннего применения используют и такую форму записи: 0,1 М NaCl).
Как в аналитической практике, так и в различных видах профессиональной деятельности, в том числе и экологии, используют концентрацию, выраженную в массовых единицах.
Массовая концентрация компонентаА – это содержание массы m (А) компонента А в единице объема V жидкого или газообразного вещества, рассчитывается как:
Сm (А) = m (А) / V.,
Массовая концентрация компонента измеряется в кг/м3; используются и дольные единицы – г/м3, г/дм3, мг/дм3 и т.д. (для внутрилабораторного использования допускается единица г/л, г/мл).
Пример формы записи: Сm(NaCl) = 0,1 г/дм3, , (в аналитической практике для внутреннего применения допускается форма записи Сm(NaCl) = 0,1 г/л = 0.1 мг/мл).
Зная массовую концентрацию компонента А в растворе, можно вычислить его молярную концентрацию и наоборот.
См (А) = Сm (А) / М (А), если Сm (А) выражена в г/дм3,
или
Сm (А) = См (А) М (А), если См (А) выражена в моль/дм3.
Способы выражения концентрации компонента в растворе и связь между различными видами концентрации приведены в Приложении 3.
В экологии содержание определяемых компонентов в пробах жидкого вещества принято выражать через массовую концентрацию в единицах г/дм3, мг/дм3, мкг/дм3, в пробах газообразного вещества – в единицах г/м3, мг/м3 мкг/м3.
Массу пробывещества m (вещ) можно измерить с необходимой точностью на аналитических весах, объем V можно измерить с необходимой точностью с помощью мерной посуды. Массу компонента А, m (А),или число частиц компонента А, n (А), в пробе вещества непосредственно измерить невозможно, их можно измерить только косвенно (рассчитать по соответствующей формуле, найти из градуировочного графика). Для этого разработаны различные методы количественного химического анализа.