شیمی تجزیه
مقدمه :
شیمی در یک نگاه
شیمی مطالعهٔ ساختار، خواص، ترکیبات، و تغییر شکل مواد است. این علم مربوط می‌شود به عناصر شیمیایی و ترکیبات شیمیایی که شامل اتمها، مولکولها، و کنش و واکنش میان آنهاست. جدول تناوبی و فهرست ترکیبات را هم مشاهده کنید.

واژه شیمی خود داستان درازی دارد.ریشه این نام در واژه کیمیاست. خاستگاه واژه کیمیا را برخی از یونانی دانسته‌اند و چیستی کار کیمیاگری دگرساختن مس به طلا بود.این واژه و داستان دانش شگفت انگیز پشت آن به همراه دانشش به عربی وارد شد و اروپاییان با این واژه و دانش آن از راه عرب ها آشنا شدند و این دانش را با نام alchemy شناختند.آنگاه آن را در میان خود پروردند تا در سده‌های نزدیک به ریخت فرانسه شیمی به زبان ما بازگشت. دانش شیمی به دو گرایش شیمی محض و شیمی کاربردی تقسیم می‌شود.

نگاه اجمالی
تیوری اتمی پایه و اساس علم شیمی است. این تیوری بیان می‌دارد که تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به نام اتم تشکیل شده‌اند. یکی از اصول و قوانینی که در مطرح شدن شیمی به عنوان یک علم تأثیر به‌سزایی داشته، اصل بقای جرم است. این قانون بیان می‌کند که در طول انجام یک واکنش شیمیایی معمولی، مقدار ماده نیز تغییر نمی‌کند. (امروزه فیزیک مدرن ثابت کرده که در واقع این انرژی است که بدون تغییر می‌ماند و همچنین انرژی و جرم با یکدیگر رابطه دارند.)

این مطلب به طور ساده به این معنی است که اگر ده‌هزار اتم داشته باشیم و مقدار زیادی واکنش شیمیایی انجام پذیرد، در پایان ما همچنان بطور دقیق ده‌هزار اتم خواهیم داشت. اگر انرژی از دست رفته یا به‌دست‌آمده را مد نظر قرار دهیم، مقدار جرم نیز تغییر نمی‌کند. شیمی کنش و واکنش میان اتم‌ها را به تنهایی یا در بیشتر موارد به‌همراه دیگر اتم‌ها و به‌صورت یون یا مولکول (ترکیب) بررسی می‌کند.

این اتم‌ها اغلب با اتم‌های دیگر واکنش‌هایی را انجام می‌دهند. (برای نمونه زمانی‌که آتش چوب را می‌سوزاند ترکیبی است از اتم‌های اکسیژن موجود در هوا و اتم‌های کربن و هیدروژن درون چوب). گاهی اوقات نیز نور بر آنها تأثیر می‌گذارد(فتوکاتالیست). (یک عکس بر اثر تغییراتی که نور بر روی مواد شیمیایی فیلم عکاسی ایجاد می‌کند شکل می‌گیرد.)

یکی از کشفیات بنیادین و جالب این بود که اتم‌ها روی‌هم‌رفته همیشه به نسبت برابر با یکدیگر ترکیب می‌شوند. سیلیس دارای ساختمانی است که نسبت اتم‌های سیلیسیوم به اکسیژن در آن یک به دو است. امروزه ثابت شده است که استثناهایی در زمینهٔ قانون نسبت‌های معین وجود دارد.

یکی دیگر از کشفیات کلیدی شیمی این بود که زمانیکه یک واکنش شیمیایی رخ می‌‌دهد، مقدار انرژی که بدست می‌آید یا از دست می‌رود همواره یکسان است. این امر ما را به مفاهیم مهمی مانند تعادل ، ترمودینامیک و دینامیک می‌‌رساند.

شیمی فیزیک بر پایهٔ فیزیک پیشرفته (مدرن) بنا شده است. اصولاً می‌توان تمام سیستم‌های شیمیایی را با استفاده از تیوری مکانیک کوانتوم شرح داد. این تیوری از لحاظ ریاضی پیچیده بوده و عمیقاً شهودی است. به هر حال در عمل و بطور واقعی تنها بررسی سیستم‌های سادهٔ شیمیایی قابل بررسی با مفاهیم مکانیکی کوانتوم امکان‌پذیر است و در اکثر مواقع باید از تقریب استفاده کرد(مانند تیوری کاری دانسیته). بنابراین درک کامل مکانیک کوانتوم برای تمامی مباحث شیمی کاربرد ندارد؛ زیرا نتایج مهم این تیوری (بخصوص اربیتال اتمی) با استفاده از مفاهیم ساده‌تری قابل درک و به‌کارگیری هستند.

با اینکه در بسیاری موارد ممکن است مکانیک کوانتوم نادیده گرفته شود، مفهوم اساسی که پشت آن است، یعنی کوانتومی کردن انرژی، چنین نیست. شیمی‌دان‌ها برای بکارگیری کلیه روش‌های طیف نمایی به اثرات و نتایج کوانتوم وابسته‌اند، هرچند که ممکن است بسیاری از آنها از این امر آگاه نباشند. علم فیزیک هم ممکن است مورد بی توجهی واقع شود، اما به هر حال برآیند نهایی آن (مانند رزونانس مغناطیسی هسته‌ای) پژوهیده و مطالعه می‌شود.

یکی دیگر از تیوری‌های اصلی فیزیک مدرن که نباید نادیده گرفته شود نظریه نسبیت است. این نظریه که از دیدگاه ریاضی پیچیده است، شرح کامل فیزیکی علم شیمی است. خوشبختانه مفاهیم نسبیتی تنها در برخی از محاسبات خیلی دقیق ساختمان هسته، به‌ویژه در عناصر سنگین‌تر، کاربرد دارند و در عمل تقریباً با شیمی پیوند ندارند.

بخش‌های اصلی دانش شیمی عبارتند از:
* شیمی تجزیه، که به تعیین ترکیبات مواد و اجزای تشکیل دهنده آن‌ها می‌پردازد.
* شیمی آلی، که به مطالعهٔ ترکیبات کربن‌دار، غیر از ترکیباتی چون دو اکسید کربن (دی اکسید کربن) می‌پردازد.
* شیمی معدنی، که به اکثریت عناصری که در شیمی آلی روی آنها تاکید نشده و برخی خواص مولکولها می‌‌پردازد.

* شیمی فیزیک، که پایه و اساس کلیهٔ شاخه‌های دیگر را تشکیل می‌دهد، و شامل ویژگی‌های فیزیکی مواد و ابزار تیوری بررسی آنهاست.
دیگر رشته‌های مطالعاتی و شاخه‌های تخصصی که با شیمی پیوند دارند عبارتند از: علم مواد، مهندسی شیمی، شیمی بسپار، شیمی محیط زیست و داروسازی.

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.

شیمی تجزیه کمی

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 ۱۸۹۴ 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.