دید کلی

شیمی تجزیه (Analytical chemistry) ، شامل جداسازی ، شناسایی و تعیین مقدار نسبی اجزای سازنده یک نمونه ‌از ماده ‌است. شیمی تجزیه کیفی ، هویت شیمیایی گونه‌ها را در نمونه آشکار می‌سازد. تجزیه کمی ، مقدار نسبی یک یا چند گونه یا آنالیت را به‌صورت عددی معلوم می‌دارد. پیش از انجام تجزیه کمی ‌، ابتدا لازم است اطلاعات کیفی بدست آید. معمولا تجزیه کیفی و کمی ‌شامل یک مرحله جداسازی نیز هستند.

نقش شیمی ‌تجزیه در علوم

شیمی تجزیه نقش حیاتی در توسعه علوم دارد. به عنوان مثال ، "ویلهلم اسوالد" (Wilhelm Ostwald) در سال 1894 نوشت:

««شیمی ‌تجزیه یا هنر تشخیص مواد مختلف و تعیین اجزای سازنده آن ، نقش اول را در کاربردهای مختلف علوم دارد؛ چرا که پاسخگوی سوالاتی است که در هنگام اجرای فرایندهای شیمیایی برای مقاصد علمی ‌و فنی مطرح می‌شود. اهمیت فوق‌العاده آن ، باعث شده ‌است که ‌از همان دوران نخستین تاریخ شیمی ‌، مجدانه شروع به رشد و توسعه کند و سوابق موجود شامل بخش قابل ملاحظه ای از کارهای کمی ‌است که تمامی‌ علوم را در بر می‌گیرد".»»

از زمان اسوالد تاکنون ، شیمی‌ تجزیه ‌از یک هنر به یک علم در زمینه‌های مختلف صنعت ، طب و سایر علوم ، تحول و تکامل یافته ‌است. به‌عنوان مثال :

• برای تعیین کارآیی وسایل کنترل دور ، لازم است مقدار هیدروکربنها ، اکسیدهای نیتروژن و منوکسید کربن موجود در گازهای اگزوز اتومبیل اندازه گیری شوند.
  
  
• اندازه گیری کمّی‌ کلسیم یونیده در سرم خون ، ما را در تشخیص مرض پاراتیروئید در بیماران یاری می‌کند.
  
  
• با اندازه گیری کمی نیتروژن در مواد غذایی ، میزان پروتئین موجود در آنها و در نتیجه ‌ارزش غذایی آنها معلوم می‌شود.
  
  
• مقدار مرکاپتان موجود در گازهای مصرفی خانه‌ها بطور مستمر تحت کنترل قرار می‌گیرد تا از وجود مقدار معینی مرکاپتان برای ایجاد بوی نامطبوع که هشدار دهنده نشت گاز است، اطمینان حاصل کنند.
  
  
• کشاورزان متجدد ، کود شیمیایی و آبیاری را به نحوی تنظیم می‌کنند که منطبق با نیاز گیاه در طی فصلهای رشد باشد. آنها این نیاز را از تجزیه کمی‌ گیاه و خاکی که گیاه در آن می‌روید، معلوم می‌کنند.
  
  
• ‌اندازه گیری‌های کمی ‌دارای نقش حیاتی در بسیاری از کارهای پژوهشی در زمینه‌های شیمی‌ ، زیست شناسی ، زیست شیمی ‌، زمین شناسی و سایر علوم است.

طبقه‌بندی روشهای تجزیه کمی

نتایج یک تجزیه کمی ‌را از دو اندازه گیری بدست می‌آوریم. یکی وزن یا حجم نمونه مورد اندازه گیری است و دوم ، اندازه گیری کمیتی است که با مقدار ماده مورد تجزیه در آن نمونه متناسب می‌باشد. معمولا در مرحله دوم ، تجزیه ، کامل می‌شود. شیمیدانان روشهای تجزیه را بر طبق طبیعت این اندازه گیری اخیر طبقه‌بندی می‌کنند. در یک روش وزنی ، جرم آنالیت یا جرم ماده‌ای که بطور شیمیایی به آن ارتباط دارد، تعیین می‌شود. در یک روش حجمی ‌، حجم محلولی که دارای مقدار کافی واکنشگر برای واکنش کامل با آنالیت است، اندازه گیری می‌شود.

روشهای الکتروشیمیایی شامل اندازه گیری خواصی نظیر پتانسیل ، جریان ، مقاومت و مقدار الکتریسیته است. روشهای طیف‌بینی بر مبنای اندازه گیری برهمکنش بین تابش الکترومغناطیسی و اتمها یا مولکولهای آنالیت (اثر تابش بر ماده) و یا تولید چنین تابشی توسط آنالیت استوارند.

بالاخره ، باید به چند روش متفرقه نیز اشاره کرد. این روشها شامل اندازه گیری خواصی چون نسبت جرم به بار ( طیف سنجی جرمی‌ ) ، سرعت واپاشی پرتوزایی ، گرمای واکنش ، رسانندگی گرمایی ، فعالیت نوری و ضریب شکست است.

انتخاب روش تجزیه

اولین مرحله حیاتی در هر تجزیه کمی ‌، انتخاب روش است. انتخاب گاهی دشوار است و به تجربه و بصیرت شیمیدان بستگی دارد. از عوامل مهم در انتخاب روش ، میزان صحت مورد انتظار است. متاسفانه برای دستیابی به نتایج بسیار مطمئن ، همواره لازم است که وقت زیادی نیز صرف شود. معمولا ، روش را بر اساس مصالحه بین میزان صحت و جنبه‌های اقتصادی انتخاب می‌کنند.

دومین عاملی که در ارتباط با جنبه‌های اقتصادی در نظر گرفته می‌شود، تعداد نمونه‌های مورد تجزیه ‌است. اگر تعداد نمونه‌ها زیاد باشد، در آن صورت می‌توان وقت زیادی را صرف عملیات مقدماتی نظیر نصب و درجه‌بندی دستگاه‌ها و وسایل و همچنین تهیه محلولهای استاندارد کرد، اما اگر فقط یک نمونه یا نهایتا تعداد کمی ‌نمونه داشته باشیم، شاید صلاح در انتخاب روشی باشد که مراحل مقدماتی را یا نداشته و یا حداقل ممکن را داشته باشد.

نمونه برداری

برای دستیابی به ‌اطلاعات ارزشمند ، لازم است تجزیه بر روی نمونه ای انجام شود که ترکیب آن ، کاملا معرف تمامی ‌ماده‌ای که نمونه ‌از آن انتخاب شده ‌است، باشد. هنگامی‌ که ماده بزرگ و ناهمگن است، برای انتخاب نمونه نماینده باید سعی و دقت بسیار معطوف شود. نمونه برداری چه ساده باشد، چه پیچیده ، شیمیدان قبل از آغاز عملیات تجزیه باید از اینکه نمونه آزمایشگاهی نماینده کل محموله ‌است، اطمینان یابد.

تهیه نمونه آزمایشگاهی

یک نمونه جامد آزمایشگاهی را آسیاب می‌کنند تا اندازه ذرات آن کاهش یابد، سپس مخلوط می‌کنند تا همگن شود و قبل از انجام تجزیه بر روی آن ، برای مدت زمانهای مختلف نگهداری می‌کنند. در هر یک از این مراحل ، برحسب میزان رطوبت محیط ، ممکن است جذب یا دفع سطحی آب اتفاق افتد. چون ممکن است جذب یا دفع آب باعث تغییرات شیمیایی در نمونه شود، لذا بهتر است نمونه‌ها را درست قبل از انجام تجزیه ، خشک کنیم. روش دیگر آنکه ، رطوبت نمونه را همزمان با انجام تجزیه بر روی نمونه ، طبق یک روش جداگانه ، اندازه گیری کنیم.

استفاده ‌از نمونه‌های همتا

اکثر تجزیه‌های شیمیایی بر روی نمونه‌های همتا که وزن یا حجم آنها با دقت توسط ترازوی تجزیه و یا یک وسیله حجمی ‌دقیق تعیین شده ‌است، انجام می‌شود. همتاسازی موجب ارتقای کیفیت نتایج و همچنین معیاری برای قابلیت اطمینان آنها خواهد بود.

تهیه محلولهای نمونه

بیشتر تجزیه‌ها بر روی محلول حاصل از نمونه‌ها انجام می‌شود. در حالت ایده‌آل ، حلال باید تمامی ‌نمونه (نه فقط آنالیت) را به‌سرعت و بطور کامل حل کند. شرایط انحلال باید در حد امکان ملایم باشد تا مانع از اتلاف آنالیت شود. متاسفانه بسیاری از مواد مورد تجزیه در حلالهای معمولی نامحلولند. مواد سیلیکاتی ، بسپارهای با جرم زیاد یا نسوج حیوانی از این قبیل هستند. در چنین مواردی تبدیل آنالیت به حالت محلول می‌تواند یک امر دشوار و وقت‌گیر باشد.

حذف تداخل کننده‌ها

تعداد کمی ‌از خواص شیمیایی و فیزیکی مهم در تجزیه‌های شیمیایی به گونه شیمیایی خاصی منحصر است. در عوض ، واکنشهایی که بکار می‌رود و خواصی که ‌اندازه گیری می‌شود، شامل ویژگی گروهی از عناصر و ترکیبات است. گونه‌های غیر از آنالیت را که بر اندازه گیری نهایی موثرند، «تداخل کننده» می‌نامند. تدابیری باید اندیشید تا قبل از اندازه گیری نهایی ، آنالیت از تداخل کننده‌ها جدا شود. هیچ قاعده و قانون قطعی برای حذف تداخل کننده‌ها نمی‌توان ذکر کرد که حل این مساله ، دشوارترین مرحله یک تجزیه ‌است.

درجه‌بندی و اندازه گیری

تمامی ‌نتایج حاصل از تجزیه به ‌اندازه گیری نهایی X که یک خاصیت فیزیکی آنالیت است، بستگی دارد. این خاصیت باید به صورت معین و تکرارپذیر با تغییر غلظت آنالیت C_A تغییر کند. در حالت ایده‌آل ، خاصیت فیزیکی اندازه گیری شده ، مستقیما با غلظت متناسب است. یعنی :


که در آن k ثابت تناسب است. برای روشهای تجزیه ، باید مقدار k به صورت تجربی و با C_A معلوم تعیین شود. فرایند تعیین مقدار k مرحله مهمی ‌است و به نام درجه‌بندی موسوم است.

محاسبه نتایج

معمولا ، محاسبه غلظت آنالیت با استفاده ‌از داده‌های تجربی ، بویژه با ماشینهای محاسبه و کامپیوتر مدرن ، یک امر ساده و سرراست است. چنین محاسباتی بر مبنای داده‌های خام که در مرحله ‌اندازه گیری بدست آمده‌اند و همچنین استوکیومتری واکنش شیمیایی که تجزیه بر اساس آن انجام یافته ‌است و بالاخره عوامل دستگاه ، ‌استوار است.

ارزیابی نتایج و برآورد میزان اطمینان آنها

نتایج تجزیه بدون برآورد میزان اطمینان آنها کامل نیست. شخص آزمایش کننده ، برای آنکه داده‌ها ارزشمند باشند، لازم است میزان عدم قطعیت نتایج محاسبه شده را معلوم کند (محاسبه خطا).