విశ్లేషణాత్మక రసాయన శాస్త్రం

విశ్లేషణాత్మక రసాయన శాస్త్రం (Analytical chemistry) అనేది రసాయన శాస్త్రం (Chemistry) లో ఒక ముఖ్యమైన విభాగం. పదార్థాలను ఏ విధంగా వేరు చేయాలి, వాటిని ఎలా గుర్తించాలి, మరియు వాటి పరిమాణాన్ని ఎలా కొలవాలి అనే అంశాల గురించి ఈ శాస్త్రం వివరిస్తుంది. శాస్త్రవేత్తలు విశ్లేషణాత్మక రసాయన శాస్త్రాన్ని ఉపయోగించినప్పుడు, ఒక నమూనాలో ఏమేమి ఉన్నాయి, ఒక్కొక్కటి ఎంత పరిమాణంలో ఉన్నాయి అనే విషయాలను తెలుసుకోవడానికి ప్రయత్నిస్తారు.

ఈ అధ్యయనంలో ప్రధానంగా రెండు భాగాలు ఉన్నాయి:

గుణాత్మక విశ్లేషణ (Qualitative analysis): ఇది ఒక నమూనాలో ఏముంది అని చెబుతుంది. ఉదాహరణకు, ఒక ద్రవంలో బంగారం లేదా ఇనుము ఉందో లేదో కనుగొనడం.

పరిమాణాత్మక విశ్లేషణ (Quantitative analysis): ఇది ఒక నమూనాలో ఆ పదార్థం ఎంత పరిమాణంలో ఉంది అని చెబుతుంది. ఉదాహరణకు, ఒక ద్రవంలో 10% చక్కెర ఉందని కనుగొనడం.

విశ్లేషణాత్మక రసాయన శాస్త్రం అనేక రకాల పరికరాలను ఉపయోగిస్తుంది. కొన్ని సాధారణమైనవి, ఉదాహరణకు ఒక వస్తువు బరువు చూడటానికి త్రాసును ఉపయోగించడం. మరికొన్ని చాలా సంక్లిష్టమైనవి, ఉదాహరణకు అతి చిన్న పరమాణువు (Atoms) లను చూడటానికి లేజర్లు (Lasers) లేదా కంప్యూటర్లు ఉపయోగించడం. నేడు ఈ శాస్త్రం అనేక చోట్ల ఉపయోగపడుతోంది. ఇది వైద్యులు రక్తాన్ని పరీక్షించడానికి, పోలీసులు నేరాలను పరిష్కరించడానికి (నేర పరిశోధన శాస్త్రం లేదా Forensic science), మరియు ఆహార కంపెనీలు తమ ఉత్పత్తులు తినడానికి సురక్షితంగా ఉన్నాయని నిర్ధారించుకోవడానికి సహాయపడుతుంది.

 చరిత్ర 
విశ్లేషణాత్మక రసాయన శాస్త్రం చాలా కాలంగా ఉనికిలో ఉంది. ప్రారంభంలో, రసాయన శాస్త్రవేత్తలు ఒక పదార్థంలో ఏ మూలకాలు (Elements) ఉన్నాయో చూడటానికి సాధారణ పరీక్షలు చేసేవారు. 1800లలో, Justus von Liebig అనే శాస్త్రవేత్త కర్బన రసాయనాలను (Organic chemicals) అధ్యయనం చేయడానికి మెరుగైన పద్ధతులను రూపొందించారు.

1860లో ఒక పెద్ద మార్పు వచ్చింది. Robert Bunsen మరియు Gustav Kirchhoff మంటల రంగులను చూసి కొత్త మూలకాలను కనుగొనే పద్ధతిని కనిపెట్టారు. ఈ పద్ధతిని ఉపయోగించి, వారు రుబీడియం (Rubidium) మరియు సీసియం (Caesium) అనే మూలకాలను కనుగొన్నారు.

1900 సంవత్సరం తర్వాత, ఈ రంగం చాలా మారింది. శాస్త్రవేత్తలు కేవలం చేతితో పరీక్షలు చేయకుండా యంత్రాలను ఉపయోగించడం ప్రారంభించారు. దీనిని "ఇన్స్ట్రుమెంటల్ అనాలిసిస్" (Instrumental analysis) అని పిలుస్తారు. 1970లలో, విశ్లేషణాత్మక రసాయన శాస్త్రం జీవశాస్త్రం (Biology) వైపు ఎక్కువగా దృష్టి సారించింది. ఇది బయోఅనలిటికల్ కెమిస్ట్రీ (Bioanalytical chemistry) అనే రంగం ఏర్పడటానికి సహాయపడింది. నేడు, ఈ రంగం "బిగ్ డేటా" (Big data) ను ఉపయోగిస్తోంది. అంటే ఒకేసారి చాలా సమాచారాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి కంప్యూటర్లను ఉపయోగించడం అన్నమాట.

 సాంప్రదాయ పద్ధతులు 
రసాయన శాస్త్రంలో అత్యంత పాత పద్ధతులను "సాంప్రదాయ పద్ధతులు" (Classical methods) అని పిలుస్తారు. ఇప్పుడు మన దగ్గర పెద్ద పెద్ద యంత్రాలు ఉన్నప్పటికీ, చాలా మంది విద్యార్థులు మొదట ఈ ప్రాథమిక పద్ధతులనే నేర్చుకుంటారు.

 గుణాత్మక విశ్లేషణ 
రసాయన శాస్త్రంలోని ఈ భాగం "ఇది ఏమిటి?" అనే ప్రశ్నకు సమాధానం ఇస్తుంది.

రసాయన పరీక్షలు: శాస్త్రవేత్తలు ఒక నమూనాకు ఒక రసాయనాన్ని కలిపి, అది రంగు మారుతుందో లేదో లేదా బుడగలు వస్తాయో లేదో చూస్తారు. ఉదాహరణకు, కాజిల్-మేయర్ పరీక్ష (Kastle-Meyer test) ను ఒక ఎర్రటి మచ్చ నిజంగా రక్తం అవునో కాదో తెలుసుకోవడానికి ఉపయోగిస్తారు.

జ్వాల పరీక్షలు (Flame tests): మీరు కొన్ని రసాయనాలను మంటల్లో వేసినప్పుడు, మంట రంగు మారుతుంది. ఉదాహరణకు, రాగి (Copper) ఆకుపచ్చని మంటను ఇస్తుంది. ఇది శాస్త్రవేత్తలకు ఆ లోహాన్ని గుర్తించడంలో సహాయపడుతుంది.

 పరిమాణాత్మక విశ్లేషణ 
రసాయన శాస్త్రంలోని ఈ భాగం "అక్కడ ఎంత ఉంది?" అనే ప్రశ్నకు సమాధానం ఇస్తుంది.

గ్రావిమెట్రిక్ విశ్లేషణ (Gravimetric analysis): ఇది బరువును ఉపయోగిస్తుంది. ఒక శాస్త్రవేత్త తడిగా ఉన్న పొడిని బరువు చూసి, దానిని వేడి చేసి ఎండబెట్టి, మళ్ళీ బరువు చూడవచ్చు. బరువులో వచ్చిన తేడా ఆ పొడిలో ఎంత నీరు ఉందో చూపిస్తుంది.

వాల్యూమెట్రిక్ విశ్లేషణ (టైట్రేషన్): ఇది ఘనపరిమాణాన్ని (Volume) ఉపయోగిస్తుంది. ఒక శాస్త్రవేత్త ఒక నమూనాకు ద్రవాన్ని నెమ్మదిగా కలుపుతూ, చర్య జరిగే వరకు వేచి చూస్తారు. ఉదాహరణకు, రంగు మారే వరకు ఒక ఆమ్లం (Acid) ను ఒక క్షారం (Base) కు కలపవచ్చు. ఇది ఆ క్షారం ఎంత బలంగా ఉందో వారికి తెలియజేస్తుంది.

 ఇన్స్ట్రుమెంటల్ పద్ధతులు 
ఆధునిక విశ్లేషణాత్మక రసాయన శాస్త్రం "ఇన్స్ట్రుమెంట్స్" (Instruments) లేదా యంత్రాలను ఉపయోగిస్తుంది. ఈ యంత్రాలు మనుషులు చూడలేని చిన్న విషయాలను కూడా చూడగలవు.

 స్పెక్ట్రోస్కోపీ 
స్పెక్ట్రోస్కోపీ అనేది కాంతి మరియు పదార్థం ఎలా స్పందిస్తాయో వివరించే అధ్యయనం. శాస్త్రవేత్తలు ఒక నమూనా ద్వారా కాంతిని (అతినీలలోహిత లేదా ఇన్ఫ్రారెడ్) ప్రసరింపజేస్తారు. ఏ కాంతి లోపలికి వెళ్ళింది, ఏ కాంతి ఆగిపోయింది అని చూడటం ద్వారా, ఆ నమూనా దేనితో తయారైందో వారు చెప్పగలరు. సాధారణ రకాలు ఇక్కడ ఉన్నాయి:

అటామిక్ అబ్సార్ప్షన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ

న్యూక్లియర్ మాగ్నెటిక్ రెసొనెన్స్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (NMR)

 మాస్ స్పెక్ట్రోమెట్రీ 
మాస్ స్పెక్ట్రోమెట్రీ అనేది అణువు (Molecules) ల బరువును కొలుస్తుంది. ఈ యంత్రం నమూనాను చిన్న ముక్కలుగా విడగొట్టి, వాటికి విద్యుత్ ఆవేశాన్ని (Electric charge) ఇస్తుంది. ఆ తర్వాత, అయస్కాంతాలు లేదా విద్యుత్తును ఉపయోగించి ఆ ముక్కలను కదిలిస్తుంది. బరువైన ముక్కలు తేలికపాటి ముక్కల కంటే భిన్నంగా కదులుతాయి. దీనివల్ల ఆ మిశ్రమంలో ఖచ్చితంగా ఏముందో శాస్త్రవేత్త చూడగలుగుతారు.

 విభజన  
కొన్నిసార్లు ఒక నమూనా అనేది చాలా విషయాల కలయికగా ఉంటుంది. శాస్త్రవేత్తలు ముందుగా వాటిని వేరు చేయాలి.

క్రోమాటోగ్రఫీ: ఇది ఒక ఉపరితలంపై నమూనాను తీసుకెళ్లడానికి ద్రవం లేదా వాయువును ఉపయోగిస్తుంది. నమూనాలోని వివిధ భాగాలు వేర్వేరు వేగంతో కదులుతాయి. ఇది మిశ్రమాన్ని స్పష్టమైన భాగాలుగా వేరు చేస్తుంది. హై-పెర్ఫార్మెన్స్ లిక్విడ్ క్రోమాటోగ్రఫీ (HPLC) అనేది ఇందులో చాలా ప్రసిద్ధమైన పద్ధతి.

ఎలక్ట్రోఫోరేసిస్: ఇది ఒక జెల్ ద్వారా కణాలను కదిలించడానికి విద్యుత్తును ఉపయోగిస్తుంది. దీనిని తరచుగా డి.ఎన్.ఎ (DNA) ను అధ్యయనం చేయడానికి ఉపయోగిస్తారు.

 సూక్ష్మదర్శిని  
మైక్రోస్కోపీ అంటే చిన్న విషయాలను చూడటానికి మైక్రోస్కోపులను ఉపయోగించడం. శాస్త్రవేత్తలు సాధారణ కాంతి మైక్రోస్కోపులను ఉపయోగిస్తారు, కానీ వారు ఒక పరమాణువు అంత చిన్న వాటిని చూడగలిగే ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపులను కూడా ఉపయోగిస్తారు.

 సమాచారం మరియు లోపాలు 
ఒక శాస్త్రవేత్త కొలత తీసుకున్న ప్రతిసారీ, అక్కడ ఒక లోపం (Error) ఉండే అవకాశం ఉంది. ఏ కొలత కూడా పరిపూర్ణంగా ఉండదు.

 లోపాల రకాలు 

సిస్టమాటిక్ ఎర్రర్ (Systematic error): ఒక పరికరం పాడైపోయినప్పుడు లేదా తప్పుగా ఉపయోగించినప్పుడు ఇది జరుగుతుంది. ఉదాహరణకు, ఒక త్రాసు ప్రతి బరువుకు 5 గ్రాములు అదనంగా కలిపితే, అది సిస్టమాటిక్ ఎర్రర్ అవుతుంది.

రాండమ్ ఎర్రర్ (Random error): ఉష్ణోగ్రతలో చిన్న మార్పు వంటి ఎవరూ నియంత్రించలేని పర్యావరణంలోని చిన్న మార్పుల వల్ల ఇది జరుగుతుంది.

శాస్త్రవేత్తలు ఈ లోపాలను కనుగొనడానికి గణితం (Mathematics) మరియు గణాంక శాస్త్రం (Statistics) ఉపయోగిస్తారు. వారు తాము కనుగొన్న విలువ (Observed value) అసలు విలువకు (True value) వీలైనంత దగ్గరగా ఉండేలా చూసుకోవాలని అనుకుంటారు. రసాయన సమాచారాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి గణితాన్ని ఉపయోగించే రంగాన్ని కెమోమెట్రిక్స్ (Chemometrics) అని పిలుస్తారు.

 ప్రమాణాలు 
తమ యంత్రాలు సరిగ్గా పనిచేస్తున్నాయని నిర్ధారించుకోవడానికి, శాస్త్రవేత్తలు "స్టాండర్డ్స్" ఉపయోగిస్తారు. స్టాండర్డ్ అనేది లోపల ఏముందో మనకు ముందే ఖచ్చితంగా తెలిసిన ఒక నమూనా. యంత్రం స్టాండర్డ్‌ను సరిగ్గా కొలిస్తే, తెలియని నమూనాలను కొలవడానికి ఆ యంత్రాన్ని నమ్మవచ్చని శాస్త్రవేత్తకు తెలుస్తుంది.

 సిగ్నల్స్ నాయిస్ (Signals and Noise) 
విశ్లేషణాత్మక రసాయన శాస్త్రంలో, "సిగ్నల్" అనేది మనకు కావలసిన సమాచారం. "నాయిస్" (Noise) అనేది సిగ్నల్‌ను చూడటం కష్టతరం చేసే అదనపు, పనికిరాని సమాచారం. ఒక సందడి గల పార్టీలో (నాయిస్) మీ స్నేహితుడు మాట్లాడే మాటలను (సిగ్నల్) వినడానికి ప్రయత్నిస్తున్నట్లు దీనిని ఊహించుకోండి.

అక్కడ వివిధ రకాల నాయిస్ ఉన్నాయి:

థర్మల్ నాయిస్: యంత్రం లోని విద్యుత్ భాగాలలో వేడి వల్ల వస్తుంది.

షాట్ నాయిస్: వైర్ ద్వారా చిన్న కణాలు కదిలే విధానం వల్ల వస్తుంది.

ఎన్విరాన్మెంటల్ నాయిస్: రేడియో తరంగాలు లేదా బయట వెళ్లే ట్రక్కు నుండి వచ్చే ప్రకంపనలు వంటి యంత్రం వెలుపల ఉండే విషయాల వల్ల వస్తుంది.

తమ కొలతలు స్పష్టంగా ఉండటానికి శాస్త్రవేత్తలు ఈ నాయిస్‌ను తగ్గించడానికి ఎంతో కృషి చేస్తారు.

 అనువర్తనాలు 
విశ్లేషణాత్మక రసాయన శాస్త్రం ఆధునిక జీవితంలో దాదాపు ప్రతి భాగంలోనూ ఉపయోగించబడుతుంది:

వైద్యం: రక్తం మరియు మూత్రంలో వ్యాధులను తనిఖీ చేయడానికి వైద్యులు దీనిని ఉపయోగిస్తారు.

పర్యావరణం: నీటిలో కాలుష్యం లేదా గాలిలో పొగమంచును కనుగొనడానికి దీనిని ఉపయోగిస్తారు.

ఆహారం: ఆహారంలో ఎటువంటి విషపదార్థాలు లేదా హానికరమైన బ్యాక్టీరియా లేవని నిర్ధారించుకోవడానికి కంపెనీలు దీనిని తనిఖీ చేస్తాయి.

పరిశ్రమ: కర్మాగారాలు తాము అమ్మే రసాయనాలు స్వచ్ఛంగా ఉన్నాయని నిర్ధారించుకోవడానికి దీనిని ఉపయోగిస్తాయి.

నేర పరిశోధన: అనుమానితుడి చేతులపై ఏదైనా రసాయనం ఉందా అని తెలుసుకోవడానికి లేదా డి.ఎన్.ఎను గుర్తించడానికి పోలీసులు దీనిని ఉపయోగిస్తారు.

ఒక కొత్త రంగం ఏమిటంటే ల్యాబ్-ఆన్-ఎ-చిప్. ఇవి వేలు పరిమాణంలో ఉండే చిన్న పరికరాలు, ఇవి ఒక పూర్తి ప్రయోగశాల చేసే పనిని చేయగలవు. పేద ప్రాంతాల్లో లేదా దూర ప్రాంతాల్లో ఉన్న వ్యక్తులకు వ్యాధి పరీక్షలు చేయడానికి ఇవి చాలా ఉపయోగకరంగా ఉంటాయి.

విశ్లేషణాత్మక రసాయన శాస్త్రం అనేది కేవలం ప్రయోగశాలలకు మాత్రమే పరిమితం కాలేదు. ఇది మన నిత్య జీవితంలో మనం తినే ఆహారం, పీల్చే గాలి, మరియు మన ఆరోగ్యాన్ని కాపాడటంలో కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది. శాస్త్ర సాంకేతిక రంగాలలో వస్తున్న మార్పులతో, ఈ రంగం మరింత వేగంగా అభివృద్ధి చెందుతోంది. భవిష్యత్తులో మరిన్ని సంక్లిష్టమైన సమస్యలను పరిష్కరించడానికి ఈ శాస్త్రం పునాదిగా నిలుస్తుంది.

 ఇవి కూడా చూడండి 
జీవ రసాయన శాస్త్రం

బయో ఇన్ఫర్మేటిక్స్

విష విజ్ఞాన శాస్త్రం

ఆమ్ల–క్షార చర్య

 మూలాలు 

 మరింత చదవడానికి 

 వెలుపలి లంకెలు 

[ Animation about analytical chemistry]

[ American Chemical Society page on Analytical Chemistry]