כימיה אנליטית

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
Gnome-colors-emblem-development-2.svg
הערך נמצא בשלבי עבודה: כדי למנוע התנגשויות עריכה ועבודה כפולה, אתם מתבקשים שלא לערוך את הערך בטרם תוסר ההודעה הזו, אלא אם כן תיאמתם זאת עם מניח התבנית.
אם הערך לא נערך במשך שבוע ניתן להסיר את התבנית ולערוך אותו, אך לפני כן רצוי להזכיר את התבנית למשתמש שהניח אותה, באמצעות הודעה בדף שיחתו.

הקדמה[עריכת קוד מקור | עריכה]

כימיה אנליטית - Analytical Chemistry היא אחת ממדעי המשנה של כימיה שעוסקת בשיטות לבדיקה ובחינה של חומרים (אנליזה), על-מנת לברר את הרכבם הכימי, את נוסחת המבנה שלהם, דרגת הניקיון של המדגם מחומרים מזהמים ונתונים אחרים.

הכימיה האנליטית עוסקת באיפיון הרכב חומרים בדוגמאות ממקורות שונים, מבחינת איכותית כלומר מה הזהות שלהם, וכמותית כלומר כמה יש בדוגמה.  המיומנות של הכימאי האנליטי, היא אינה בביצוע אנליזה כימית שגרתית כזו שכמעט כל כימאי עוסק בה, אלא בשיפור שיטות קיימות, הרחבה שלהן לדוגמאות מסוגים חדשים, כמו גם פיתוח שיטות וטכנולוגיות חדשות כדי למדוד תופעות כימיות שונות ומגוונות.  ברגע שפותחה שיטה או טכניקה או טכנולוגיה חדשה, היא הופכת להיות שגרתית,  ואז היא עוברת לידי כלל המדענים לשימוש באנליזיות הכימיות שלהם. ספר מומלץ רחב יריעה הוא Modern Analytical Chemistry [1] וכן גם Fundamentals of analytical chemistry[2]

גישה לפתרון בעיות בכימיה אנליטית[עריכת קוד מקור | עריכה]

הגישה לפתרון בעיות של הכימיה האנליטית מבוססת על השלבים הבאים:

 זיהוי הבעיה והגדרתה, צעד שמחייב שיתוף פעולה בין הכימאי האנליטי לבין אנשי מדע אחרים, שכן הבעיה בדרך כלל נובעת מהשאלות שהם מציבים, והכימיה האנליטית באה לספק כלים לפתרונותיהן.

תכנון התהליך הניסיוני, שהוא בעצם בחירה או פיתוח טכנולוגיות חדשניות לפי קריטריונים מבוססים על דיוק, אמינות, רגישות וסף גילוי. דחיפות התוצאות הנדרשת, עלות האנליזה, מס' הדוגמאות הנדרש לבדיקות, כמות הדוגמה הזמינה לאנליזה וכו'.  מציאת המאזן הנכון בין הגורמים הללו לעתים קרובות מורכבת משום שאינם תלויים זה בזה.  שיקולים נוספים הם גם צורת איסוף הדוגמאות, איחסונן ודרך הכנתן, וכן ההפרעות הכימיות והפיזיקליות שעלולות להתרחש בתהליך הבדיקה.  כשהתכנון של התהליך לקוי ייתכן שהוא יניב תוצאות לקויות ובלתי אמינות ולכן יש צורך גם בתכנון דרך לאישרור (ולידציה) של השיטה המתוכננת.  

ביצוע הניסוי במעבדה ואיסוף הנתונים.  החלק הנראה לעין בתהליך האנליזה הוא ביצוע בפועל של הניסוי במעבדה.  בשנות האלפיים רוב הניסויים בכימיה אנליטית נעשים באמצעות מכשירים אנליטיים.   הניסוי חייב לכלול סטנדרטים כימיים או פיזיקליים כדי לכייל את המיכשור הזה כדי לדעת מה כמויות החומרים בהם משתמשים בניסוי.

ניתוח הנתונים הניסיוניים. במהלך הניסוי האנליטי נאספים נתונים גלמיים ואז עוברים עיבוד חישובי וסטטיסטי כדי להעריך את האמינות והדיוק של התוצאות ולאשרר את התהליך.  משווים את התוצאות עם דרישות וקריטריונים אותם מבססים בזמן תכנון הניסוי, ומידת התאמתן קובעת האם לתכנן מחדש את הניסוי ולשנות בו גורמים עד שהתהליך האנליטי המוצע יהווה פתרון אמין ומדוייק למדידות.

הצעת פתרון חדש לבעייה, כזה שלא היה קיים קודם לכן. התוצאות נתונות להערכה חיצונית על ידי המדען שהציג את הבעייה מלכתחילה.  במידה והפתרון לא מספק, התהליך מתחיל מחדש עד לקבלת פתרון  מספק ואישרורו.

בעיות טיפוסיות בכימיה אנליטית כוללות את הדברים הבאים:  

אנליזות איכותיות (מה נוכח בדוגמה) וכמותיות (כמה יש בדוגמה). אנליזות זיהוי וכימות בכימיה אנליטית הן יותר מאשר אוסף אקראי של שיטות כמותיות ואיכותיות לבדיקת חומרים.  הן בעצם מדע איסוף אינפורמציה על הדוגמה הנבדקת בצורה מושכלת.  קודם כל יש לבצע זיהוי ראשוני של הכימיה והפיזיקה של הדוגמה, ואז לוודא שהחומר הנבדק נמצא בכלל בתוך הדוגמה וקביעה ראשונית של זהותו.  ואז בא החלק של הקביעה הכמותית.

בדיקות איפיון (מה הם החומרים הכימיים והתכונות הפיזיקלות שלהם).  בדיקות איפיון הן חלק אחר חשוב מאוד של כימיה אנליטית, שכולל מדידת תכונות כימיות ופיזיקליות של חומרים, קביעת המבנה שלהם, קבועים שונים שלהם, מורפולוגיה שלהם וכו'.

אנליזות בסיסיות (איך עובדים מכשירים והשיטות שלהם וכיצד ניתן לשפרם). האנליזות הבסיסיות באות להרחיב את היריעה התיאורטית והמעשית של טכניקות ושיטות הבדיקה של חומרים, בדיקת מגבלותיהן וחידושן כדי לאפשר פריצות דרך מדעיות בשטחים שונים

לסיכום, הכימיה האנליטית נועדה לשפר את יכולת המדענים השונים כמו כימאים רפואיים, משפטיים, סביבתיים, חקלאיים ורוקחיים לבצע מדידות מדעיות בעלות משמעות ואמינות.  האתגרים שלה הם בעיקר כאשר כמויות החומרים קטנות מאוד, מורכבות ורבות כאשר נדרש זמן קצר מאוד והחומרים הנבדקים נמצאים בריכוזים נמוכים מאוד.  הכימאים האנליטיים מפתחים אז טכנולוגיות מיכשוריות מתקדמות ומשוכללות המבוססות על ספקטרוסקופיה, שיטות הפרדה כמו כרומטוגרפיה ואלקטרופורזה, על טכנולוגיות תרמוכימיות וכן אלקטרוכימיה.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

כימיה אנליטית היא אחד התחומים הבסיסים והקדומים ביותר בענף הכימיה. שיטות אנליזה כימית מספקת שיטות לקביעת נוכחות של חומרים בכל מיני עצמים.

ההתקדמות העיקרית בתחום זה היה במאה ה-19 כאשר חלה התפתחות תחום האנליה של יסודות בידי יוסטוס וון לייביג והתפתחות של ניתוח מדעי מדויק של תרכובות אורגניות לפי אופן התגובות בהן הם משתתפות ולפי הקבוצות הפונקציונליות שלהן. המכשור האנליטי הראשון היה ספקטרוסקופית להבה שפותחה על ידי רוברט בונסן וגוסטב קירכהוף אשר גילה את היסודות רובידיום וצסיום. רוב ההתפתחויות שהתחוללו בכימיה אנליטית התרחשו לאחר 1900 כאשר מכשור אנליטי לזיהוי חומרים נעשה תחום מוביל בכימיה. חלק ניכר מאותם שיטות בסיסיות שפותחו בראשית המאה פותחו וקודמו לקראת סופה.

החל משנות ה-70 ועד לימינו חלה התקדמות של תחום הכימיה האנליטית להיות תחום מטרייה המכסה תחתיו גם את תחום הכימיה הביו-אנליטית, כאשר אנליזה וכימות של חומרים ביולוגים נעשה נפוץ יותר בהשוואה לעבר בו לרוב בוצע מחקר על חומרים אי-אורגנים ומולקולות אורגניות קטנות. לייזרים גם הם היוו תפנית בתחום המחקר שכן הם מאפשרים לחולל ולהשפיע על מגוון רחב של תגובות. חשוב מכל, בסוף המאה ה-20 החלה הטיה של השימוש בכימיה האנליטית בנושא אקדמי טהור לשימושים אזרחיים כמו פתירת בעיות רפואיות, סביבתיות ופורנזיות.

סוגים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הכימיה האנליטית מתחלקת לשני סוגים עיקריים:

  • אנליזה איכותיתאנגלית: Qualitative analysis) - בדיקה האם יסוד או תרכובת ספציפים נמצאים בחומר הנבדק או לא וקביעת זהותו.
  • אנליזה כמותית (Quantitative analysis) - בדיקת כמותו של יסוד או תרכובת מסוימים בחומר נתון.

הכימיה האנליטית המודרנית הפכה להיות יותר ויותר מיכשורית - instrumental, ממוחשבת - computerized, ועוסקת בעיבוד נתוני-עתק - big data, בייחוד בתחום מדעי החיים והרפואה.

טכניקות ושיטות[עריכת קוד מקור | עריכה]

קיים מגוון רחב של טכניקות לאנליזה של החומרים. הכימיה האנליטית מתחלקת לכימיה אנליטית קלאסית הכוללת שיטות גרבימטריה וטיטרציות, וכימיה אנליטית מיכשורית הכוללת ספקטרוסקופיה, שיטות הפרדה, שיטות תרמיות ואלקטרוכימיה

כימיה אנליטית קלאסית[עריכת קוד מקור | עריכה]

גרווימטריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

הפרדת החומר על מנת למדוד את המסה או הנפח של התוצר הסופי. שיטה זו מבוססת על שיקוע גרוויטציוני ומכאן שמה. באמצעות מסת החומר (או נפח החומר) שהוסף ניתן לחשב את כמות החומר ששקע. שיטה זו נחשבת לפשוטה מאוד וקלה לביצוע, אך היא מדויקת פחות משיטות אנליטיות רבות ולכן אינה נמצאת בשימוש נרחב.

טיטרציות[עריכת קוד מקור | עריכה]

העיקרון בשיטה זו הוא ריאקציה של תמיסת הנעלם עם תמיסה של חומר בריכוז ידוע וקבוע המגיב איתו. ניתן לחשב את ריכוז הנעלם על ידי מדידת ומציאת כמות המולים שהגיבו מתוך ידיעת הנפח והריכוז המדויקים של הטיטרנט. ישנם סוגים רבים של טיטרציות, כגון טיטרציה של חומצה בסיס מאפשרת קביעת PH -מציאת ריכוז יוני הידרוניום (+H3O), בתמיסה הנעלמת

ארגנטומטריה, היא טיטרציה עם יוני כסף, בעיקר למדידת ריכוז (או המצאות) של הלוגנים. מדידה איכותית תבוצע באמצעות טפטוף כמה טיפות של יוני כסף. אם נוצר משקע לבן, סיכוי רב שהתמיסה מכילה הלוגנים.

כימיה אנליטית מיכשורית[עריכת קוד מקור | עריכה]

ספקטרוסקופיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מתבססת ברוב המקרים על ספקטרום בליעה וספקטרום פליטה של קרינה מסוגים שונים, כאשר לחומרים שונים תבניות בליעה ופליטה שונות. בין השיטות בקטגוריה זו - ספקטרופוטומטריה, המבוססת על אור נראה, על-סגול, ותת-אדום; ספקטרוסקופיית תת-אדום, מבוססת על קרינת תת-אדום; תהודה מגנטית גרעינית (NMR) המבוססת על תגובה לגלי רדיו בנוכחות שדה מגנטי, ספקטרוסקופיית בליעה אטומית (AAS), ועוד.

שיטה שאינה מבוססת על קרינה היא ספקטרוסקופיית מסות. גרסה מתקדמת יותר של זו, המשמשת בעיקר לבדיקה איכותית וכמותית של יסודות, היא ICP-MS ‏(Inductively-Coupled Plasma - Mass Spectrometry), בשיטה זו דוגמה מומסת של חומר, עוברת דרך להבה חמה ביותר (עד עשרות אלפי מעלות צלזיוס) אשר הופכת את התמיסה לפלזמה, ולאחר מכן נבדקת הבליעה של הדוגמה או המסות של האטומים המרכיבים אותה. לעיתים שיטה זו משולבת בהפרדה באמצעות שיטה כרומטוגרפית.

אלקטרוכימיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

בשיטות אלקטרוכימיות נבדק שינוי במתח או בזרם שהתמיסה מוליכה, על מנת לקבוע את ריכוז החומר בתמיסה.

שיטות הפרדה[עריכת קוד מקור | עריכה]

כרומטוגרפיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

השיטות הכרומטוגרפיות שימושיות במיוחד באנליזות של חומרים אורגניים ובפרט בהפרדה וכימות של אי-נקיונות וממיסים שאריתיים.

אלקטרופורזה[עריכת קוד מקור | עריכה]

השיטות האלקטרופורטיות משמשות בעיקר במדעי החיים להפרדות בין חלבונים וכן גם בין חומצות גרעין והן מבוססות על הבדלי נדידה על גבי מצע קבוע תחת שדה חשמלי

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Harvey, David, 1956-, Modern analytical chemistry, Boston: McGraw-Hill, 2000, ISBN 0-07-237547-7
  2. ^ Fundamentals of analytical chemistry, Ninth edition, ISBN 978-0-495-55828-6