شیمی محاسباتی Analytical chemistry

بیشتر موادی که روی زمین وجود دارند، مانند چوب، زغال سنگ، مواد معدنی یا هوا، مخلوطی از مواد شیمیایی متفاوت هستند.

هر ماده شیمیایی خالص (به عنوان مثال، اکسیژن، آهن یا آب) دارای مجموعه ای از خواص است که به آن هویت شیمیایی می دهد. به عنوان مثال، آهن یک فلز معمولی سفید نقره ای است که در دمای 1535 درجه سانتیگراد ذوب می شود، بسیار چکش خوار است و به آسانی با اکسیژن ترکیب می شود و از مواد رایج هماتیت و مگنتیت را تشکیل می دهد.

تشخیص آهن در مخلوطی از فلزات، یا در ترکیبی مانند مگنتیت، مربوط به شاخه‌ای از علم شیمی بنام شیمی تحلیلی است که آنالیز کیفی نامیده می‌شود. اندازه‌گیری مقدار واقعی یک ماده خاص در یک ترکیب یا مخلوط را تجزیه و تحلیل کمی می‌گویند.

برای مثال، اندازه‌گیری تحلیلی کمی مشخص کرده است که آهن 72.3 درصد جرمی از مگنتیت را تشکیل می‌دهد. برخی از آزمایش های کیفی بسیار ساده وجود عناصر شیمیایی خاص را در مقادیر کمتر نشان می دهد.

رنگ زردی که توسط سدیم به شعله منتقل می‌شود، در صورتی قابل مشاهده است که نمونه مشتعل شده به اندازه یک میلیاردم یک گرم سدیم داشته باشد.

چنین آزمایش‌های تحلیلی به شیمیدانان این امکان را داده است که انواع و مقادیر ناخالصی‌ها را در مواد مختلف شناسایی کرده و خواص مواد بسیار خالص را تعیین کنند.

موادی که در آزمایش‌های معمول آزمایشگاهی استفاده می‌شوند معمولاً دارای سطوح ناخالصی کمتر از 0.1 درصد هستند.

برای کاربردهای خاص، می توان مواد شیمیایی را خریداری کرد که دارای ناخالصی کمتر از 0.001 درصد هستند. شناسایی مواد خالص و تجزیه و تحلیل مخلوط‌های شیمیایی، سایر رشته‌های شیمیایی را قادر می‌سازد تا شکوفا شوند.

اهمیت شیمی تجزیه هرگز به اندازه امروز نبوده است. تقاضا در جوامع مدرن برای انواع غذاهای ایمن، کالاهای مصرفی مقرون به صرفه، انرژی فراوان و فناوری‌ صرفه‌جویی در نیروی کار، بار زیادی بر روی محیط زیست وارد می‌کند.

تمام تولیدات شیمیایی علاوه بر مواد مورد نظر، مواد زائدی تولید می‌کنند و دفع زباله همیشه با دقت انجام نشده است. اختلال در محیط زیست از زمان شروع تکنولوژی رخ داده است و مشکلات آلودگی با رشد جمعیت جهان افزایش یافته است.

تکنیک‌های شیمی تحلیلی برای حفظ یک محیط زیست مناسب به شدت تاثیر گذار است. مواد نامطلوب موجود در آب، هوا، خاک و غذا باید شناسایی شوند، محل منشأ آنها مشخص شود و روش‌های ایمن و مقرون به صرفه برای حذف یا خنثی‌سازی آنها ایجاد شود.

هنگامی که مقدار یک آلاینده خطرناک ارزیابی شد، تشخیص مواد مضر در غلظت های حتی بسیار کمتر از استاندارد خطر مهم می شود.

شیمیدانان تحلیلی به دنبال توسعه تکنیک ها و ابزارهای دقیق و حساس هستند.

ابزارهای تحلیلی پیچیده وجود دارد که اغلب با سیستم‌های کامپیوتری همراه می‌شوند که این تجهیزات دقت شیمیدان‌ها را برای تشخیص مواد، بهبود بخشیده و محدودیت‌های شناسایی را کاهش داده‌اند.

یک تکنیک تحلیلی در استفاده عمومی، کروماتوگرافی گازی است، که اجزای مختلف یک مخلوط گازی را با عبور دادن مخلوط از یک ستون بلند و باریک از مواد جاذب اما متخلخل جدا می‌کند.

گازهای مختلف برهمکنش متفاوتی با این ماده جاذب دارند و با سرعت های متفاوتی از ستون عبور می کنند. همانطور که گازهای جداگانه از ستون خارج می شوند، می توانند به ابزار تحلیلی دیگری به نام طیف سنج جرمی منتقل شوند که مواد را بر اساس جرم یون های تشکیل دهنده آنها جدا می کند.

یک کروماتوگراف (گاز-طیف‌سنج جرمی) به صورت ترکیبی می‌تواند به سرعت اجزای منفرد یک مخلوط شیمیایی را شناسایی کند که غلظت آن ممکن است از چند قسمت در میلیارد بیشتر نباشد.

حساسیت های مشابه یا حتی بیشتر را می توان تحت شرایط مساعد با استفاده از تکنیک هایی مانند جذب اتمی، پلاروگرافی و فعال سازی نوترون به دست آورد.

نرخ نوآوری ابزاری به حدی است که ابزارهای تحلیلی اغلب در عرض 10 سال پس از معرفی منسوخ می‌شوند. ابزارهای جدیدتر دقیق‌تر و سریع‌تر جایگزین شده و به طور گسترده در زمینه‌های شیمی محیطی و دارویی استفاده می‌شوند.

منبع : Chemistry | Definition, Topics, Types, History, & Facts | Britannica