Классификация химических реактивов, принятая на данный момент, базируется на положении о присвоении реактивам квалификации, утвержденном еще во времена СССР. Различные области внедрения химических реактивов накладывают особенные ограничения на состав примесей, в связи с чем есть особые разновидности квалификаций.
Классификация химических реактивов по чистоте
Единой общей классификации химических реактивов по чистоте нет.
Теоретически, химически чистое вещество (ХЧ) должно состоять из частиц одного вида.
Практически химически чистыми считаются вещества высокой возможной степени очистки на данном уровне развития науки и техники.
Следует сразу же уделить внимание тому, что нелегко определить однозначное соответствие между квалификациями химических реактивов, принятыми в большинстве стран, так как многие крупные компании, производящие и поставляющие на рынок химические реактивы, применяют собственную систему присвоения квалификаций.
Такая система основана, главным образом, на том, что отличающиеся друг от друга химические реактивы по степени чистоты выпускаются под разнообразными торговыми марками.
Принятая классификация химических реактивов базируется на положении о присвоении реактивам квалификации, принятой в СССР:
«Технический» – самая низкая квалификация реактива. Состав основного компонента выше 95%. Цвет полосы на упаковке – коричневый.
«Чистый» Ч — составляющая основного компонента (без примесей) 98% и выше. Цвет полосы на упаковке – зеленый.
«Чистый для анализа» ЧДА — состав основного компонента может быть выше или значительно выше 98%, в зависимости от области применения. Примеси не превышают допустимого предела, что позволяет проводить точные аналитические исследования. Цвет полосы на упаковке – синий.
«Химически чистый» ХЧ — высокая степень чистоты реактива. Составная часть основного компонента более 99%. Цвет полосы на упаковке – красный.
«Особенно чистый» ос.ч. – квалификация предназначена для веществ с высокой очисткой. К особо чистым относятся вещества высокой степени чистоты по сравнению с химическими реактивами, соответствующими существующим квалификациям. Особо чистые вещества в своем составе имеют примеси в столь незначительном количестве, что они не влияют на основные специфические свойства веществ. Число и концентрация примесей в отдельных особо чистых веществах разные и определяются, с одной стороны, необходимостью практики, с другой — получением препаративной и аналитической химии. Цвет полосы на упаковке – желтый.
Каждому особо чистому веществу присваивается определенная марка в зависимости от природы и числа т. н. лимитированных (=контролируемых) в нем примесей, а также их состава:
Для особо чистых веществ, в которых лимитируются только неорганические примеси, марка определяется буквами «осч» (особенно чистый) и следующими за ними двумя (через дефис) числами:
Первое показывает количество лимитированных неорганических примесей, второе – отрицательный показатель степени суммы составляющей этих примесей (примеси, лимитированные по той же норме в химическом реактиве с тем же названием, не учитываются).
Например, марка особо чистого вещества, в которой лимитируются 11 неорганических примесей и их сумма составляет 2,5×10-4% (мас.), обозначается «осч 11—4».
Какие методы используются для получения особо чистых веществ и как обозначают их маркировку?
Для особо чистых веществ, в которых лимитируются только органические примеси, марка обозначается буквами «од» (органические примеси), затем (через дефис) числом, соответствующим отрицательному показателю степени их состава, и буквами «осч».
Таким образом, марка особо чистого вещества при сумме органических примесей, из которых состоит 10-3% (мас.), обозначается «од-3 осч».
Для особо чистых веществ, в которых лимитируются как органические, так и неорганические примеси, при обнаружении марки предполагается состав одних и других примесей.
Например, марка особо чистого вещества, в которой сумма органических примесей 2×10-4% (масс.) и сумма восьми неорганических примесей 3×10-5% (масс.), обозначается «од-4 осч 8-5».
Особо чистые вещества получают через глубокую очистку, используя различные физико-химические методы, такие как осаждение, ректификация, дистилляция, экстракция, сорбция и ионный обмен. Распределение может основываться на разнице в химических свойствах компонентов, что позволяет применять создание комплексов, выборочное окисление или восстановление для достижения особой чистоты.
При очистке веществ следует учитывать возможное поступление загрязняющих примесей из воздуха, реактивов, воды, а также из материала аппаратуры.
Различные области применения химических реактивов накладывают особые ограничения на составляющую примесей, в связи с чем присутствуют специальные разновидности квалификаций, например:
Спектрально чистый
Спектральный анализ — совокупность методов качественного и количественного определения составляющей объекта, базирующегося на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустические волны, распределение по массам и энергиям элементарных частиц и т.п.
В зависимости от целей анализа и типов спектров, выделяют несколько методов спектрального анализа.
Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах составная часть определяется по спектрам выбросов и поглощений.
Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта.
Принципы работы
Атомы каждого из химических элементов обладают определенными резонансными частотами, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет.
Темные линии появляются, когда электроны на нижних энергетических уровнях атома под воздействием радиации от источника света поднимаются на более высокий уровень. Они поглощают световые волны определенной длины, затем возвращаются назад, излучая волны той же длины в обратном направлении. Поскольку это излучение рассеивается по всем направлениям, на спектрограмме видны темные линии, соответствующие заданным длинам волн. Эти длины волны отличаются для каждого вещества и определяются разностью энергии между электронными энергетическими уровнями в атомах этого вещества.
Количество линий для конкретного вещества отвечает возможным сингулярным переходам электронов между энергетическими уровнями. Например, при двухуровневом расположении электронов возможен один переход (внутренний уровень – внешний), и на спектрограмме будет две темные линии. Если есть три энергетических уровня, возможны три перехода (1-2, 2-3, 1-3) и три темных линии на спектрограмме.
Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют состав исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос в спектрах.
Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой реализации, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества, необходимого для анализа (в пределах 10-30 мг).
Атомарные спектры (поглощение или излучение) получают превращением вещества в парообразное состояние путем нагрева пробы до 1000-10000 °C. В качестве источника возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу размещают в кратере одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используется пламя или плазма различных газов.
Применение
В последнее время наибольшее распространение получили эмиссионные и масс-спектрометрические методы спектрального анализа, которые основываются на возбуждении атомов и их ионизации в аргоновой плазме индукционных разрядов, а также в лазерной искре.
Спектральный анализ – чувствительный метод и широко применяется в аналитической химии, астрофизике, металлургии, машиностроительстве, геологической разведке, археологии и других областях науки.
В теории обработки сигналов спектральный анализ означает анализ распределения энергии сигнала (например, звукового) по частотам, волновым числам и т.д.
Оптически чистый:
Оптическая спектроскопия – спектроскопия в оптическом (видимом) диапазоне длины волн с прилегающими к нему ультрафиолетовым и инфракрасным диапазонами (от нескольких сот нанометров до единиц микрон).
Этим методом получено подавляющее большинство информации о том, как устроено вещество на атомном и молекулярном уровне, как атомы и молекулы ведут себя при объединении в конденсированные вещества.
Особенность оптической спектроскопии, в отличие от других видов спектроскопии, состоит в том, что большинство структурно организованной материи (больше атомов) резонансно взаимодействует с электромагнитным полем именно в оптическом диапазоне частот. Именно поэтому оптическая спектроскопия используется в настоящее время в широкой общественности для получения информации о веществе.
Хирально чистый:
Поскольку хиральность представляет собой геометрическую характеристику, ее можно определять путем отнесения молекулы к той или иной группе симметрии. Очевидно, не являются хиральными молекулы с центром инверсии (i) или плоскостью симметрии (s), поскольку эти молекулы состоят из двух одинаковых частей, которые в случае отражения превращаются друг в друга и отображение эквивалентно начальной молекуле. Ранее геометрический критерий хиральности формулировали так: «у хиральной молекулы не должно быть плоскости симметрии и центра инверсии». В настоящее время пользуются более точным критерием, предполагающим отсутствие у хиральной молекулы в кучу — зеркально-поворотных осей Sn.
В аминах, фосфинах, ионах сульфония, оксония, сульфоксидах хиральность может проявляться через окружение в пространстве атомами азота, фосфора, серы и кислорода. Несмотря на то, что в данных сочетаниях все они имеют только три заместителя, четвертое координационное место занимает неделимая пара электронов и происходит возникновение центра хиральности.
Хиральные амины отличаются от хиральных соединений кислорода, фосфора и серы, поскольку энантиомеры аминов, возникающие из-за стереогенного атома азота, редко разделяются. Они легко превращаются друг в друга благодаря инверсии атома азота (энергия активации EA для триметиламина около 30 ккал/моль). В то же время подходящие фосфины подвергаются инверсии медленнее (энергия активации EA для триметилфосфина около 190 ккал/моль).
Исключением из данной особенности являются амины, в которых инверсия азота невозможна, поскольку его конфигурация закреплена в пространстве.
Ядерно чистый:
Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличающиеся лишь числом нейтронов.
Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением левого верхнего индекса, означающего массовое число (к примеру, 12C, 222Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы имеют традиционные имена собственные (например, дейтерий, актинон).
Различают изотопы стойкие (стабильные) и радиоактивные.
В технологической деятельности люди научились изменять изотопный состав элементов для получения специфических свойств материалов. Например, 235U способен к цепной реакции разделения тепловыми нейтронами и используется в качестве топлива для ядерных реакторов или оружия. В природном уране только 0,72% этого нуклида, а для цепной реакции требуется не менее 3% 235U. Из-за близости физико-химических свойств изотопов обогащение урана является сложной задачей, доступной только нескольким государствам. Изотопная разметка используется во многих областях науки и техники, например, в радиоиммунном анализе.
Нуклиды 60Co и 137Cs используются при стерилизации β-лучами (лучевая стерилизация) как один из методов физической стерилизации инструментов, перевязочного материала и другое. Дозировка проницаемой радиации должна быть достаточно значительной — до 20-25 кГр, что требует особых мер безопасности. В этой связи лучевая стерилизация проводится в специальных помещениях и является заводским методом стерилизации (непосредственно в стационарах она не выполняется).
также для:
криоскопии
термохимии
микроскопии
хроматографии
Большинство химических реактивов контролируют по двум-трем характеристикам.
Но многие кислоты, основания и соли, а также реактивы, применяемые в биологических исследованиях, контролируют по более чем 20 показателям.
Важно учитывать наличие взвешенных частиц, ведь даже разреженный раствор с частицами менее 1 мкм может оказать существенное влияние на общую концентрацию примесей.