ВВЕДЕНИЕ. Предмет, задачи и методы аналитической химии

Предмет, задачи и методы аналитической химии. Аналитическая химия - это наука об определении химического состава вещества и отчасти его химического строения. Методы аналитической химии позволяют ответить на вопросы о том, какие компоненты входят в состав вещества и в каких количественных соотношениях эти компоненты находятся, поэтому аналитическая химия включает два раздела: качественный и количественный анализ.

Качественный анализ предназначен для обнаружения веществ, элементов (ионов) и функциональных групп. Он позволяет устанавливать, из каких химических элементов состоит анализируемое вещество и какие ионы, группы атомов или молекулы входят в его состав. При исследовании состава неизвестного вещества качественный анализ всегда предшествует количественному.

Основной задачей количественного анализа является определение точного содержания отдельных элементов и их соединений в исследуемом веществе или в смеси веществ.

Вещества анализируют различными методами, но методы обнаружения и определения имеют много общего. Применяют химические, инструментальные и биологические методы анализа.

Химические методы основаны на превращении анализируемого вещества в результате химической реакции в соединение, свойства которого позволяют наблюдать его визуально или определять количественно.

В инструментальных методах применяют аналитические приборы и аппараты, регистрирующие физические свойства веществ или изменение этих свойств. Инструментальные методы делят на две группы: физические и физико-химические.

Физические методы основаны на измерении физических свойств веществ: вращения плоскости поляризации, преломления светового луча в растворе, оптических спектров вещества и др. При использовании физических мето­дов химическая реакция не проводится.

В физико-химических методах анализа наблюдают изменения физических Свойств реакционной системы, происходящие в ходе химической реакции.

Наряду с этими методами современная аналитическая химия выделяет в отдельную группу биологические методы анализа. Это методы качественного обнаружения и количественного определения физиологически активных неорганических и органических соединений. Биологические методы анализа основаны на применении живых организмов в качестве аналитических индикаторов. Живые организмы всегда обитают в среде строго определенного химического состава. В качестве аналитических индикаторов выступают микроорганизмы, водоросли, высшие растения, беспозвоночные, позвоночные, органы и ткани организмов.

При нарушении химического состава среды наблюда­ются разнообразные ответные сигналы индикатора-орга­низма: изменение характера поведения, состава крови, биоэлектрической активности органов и тканей, наруше­ние функций органов пищеварения, дыхания, размноже­ния. Общим показателем эффективности действия опреде­ляемого соединения на индикаторный механизм является выживаемость или летальный исход. Например, рост мик­роорганизмов, изменяющийся под действием различных химических соединений в воде, используют для анализа природных и сточных вод. Разработан метод обнаружения в сточных водах фенолов, нефтепродуктов, фосфороргани-ческих соединений с использованием бактерий. Измене­ния накопления биомассы, диаметра зоны угнетения рос­та микробов, электропроводимости растворов и рН оцени­вают визуально или измеряют с помощью приборов: ана­литических весов, спектрофотометров и потенциометров. В ходе анализа можно получить также информацию о воз­действии определяемых веществ на жизнедеятельность организмов. Биологические методы анализа отличаются высокой чувствительностью и избирательностью опреде­ления физиологических активных веществ.

Описанная классификация методов определения ус­ловна. Например, фотометрические методы могут быть и физико-химическими (в большинстве случаев), и чисто физическими.

Каждый из вышеперечисленных методов имеет свои до­стоинства и ограничения. Так, физические методы очень чувствительны, но требуют сложной и дорогостоящей ап­паратуры. Простые и доступные методы химического и физико-химического анализа не всегда обеспечивают нужную точность. При выборе метода для решения кон­кретных задач принимаются во внимание многие факто­ры: сфера возможного использования; наличие аппаратуры; число образцов, которые надо проанализировать, и др. В этом случае нельзя дать общего рецепта выбора метода анализа: у исполнителя должна быть широкая химиче­ская эрудиция и твердое знание преимуществ и ограниче­ний доступных методов анализа.

Области применения химического анализа. Аналитическая химия является научной основой химического анализа.

Химический анализ — это главное средство контроля за загрязнением окружающей среды; он незаменим в медицинской диагностике и биотехнологии. С помощью химического анализа осуществляется контроль за качеством продукции в фармацевтической промышленности и аптечном деле, в других отраслях народного хозяйства, таких, как металлургическая, нефтехимическая, лакокрасочная промышленности. Без химического анализа почв, удобрений невозможна интенсификация сельского хозяйства. Развитие многих наук зависит от уровня развития химического анализа, от оснащенности лабораторий методами, приборами и реактивами.

Химический анализ ставит своей главной целью получение информации о химическом составе объекта и предполагает определенную совокупность действий над этим объектом.

В настоящее время каждая отрасль народного хозяйства страны располагает прикладной аналитической службой, которая использует характерные для своей отрасли методы химического анализа. Например, в микробиологи ческой промышленности применяют биологические методы при проверке способности антибиотиков останавливать рост микроорганизмов. Для клинических врачей наиболее важный вид химического анализа — биохимический. В биохимическом анализе анализируемыми объектами являются кровь, моча, спинномозговая жидкость, слюна и другие биологические жидкости. Так, определение в плазме крови ионов Na⁺ и К⁺ имеет важное значение, поскольку нормальный ритм сердца во многом зависит от соотношения их концентраций: С резко выраженной гиперкалиемией всегда сопряжена опасность остановки сердца. Полезную информацию об обмене кальция и фосфора в организме дает определение ионов Са²⁺ и фосфат-ионов в крови и моче. Среди d-элементов наиболее широкое клинико-диагностическое значение имеет определение в крови ионов меди, железа, кобальта, цинка и т.д. Например, определение ионов железа Fe²⁺ в крови является необходимым для суждения об эффективности лечения больных железодефицитной анемией.

Для врачей санитарно-гигиенического профиля огромную роль играют такие прикладные виды химического анализа, как пищевой (анализ продуктов питания), санитарно-химический (анализ воздуха, воды, почвы) и токсикологический (обнаружение и определение токсических веществ).

Для фармацевтов прикладной областью является фармацевтический анализ, цель которого - определение качества лекарств, изготавливаемых медицинской промышленностью и аптеками. Фармацевтический анализ рассматривается фармацевтической химией, изучающей получение, свойства и методы химического анализа лекарственных препаратов. В фармацевтической аналитической службе используются также токсикологический и судебно-химический анализы, являющиеся предметом токсикологической химии.

Основные этапы развития аналитической химии. Родоначальником научной аналитической химии считают английского химика Р. Бойля (1627 - 1691). В своей книге «Химик-скептик» (1661) он впервые ввел термин «химический анализ», заложил основы современного качест­венного анализа «мокрым» путем, т.е. путем проведения реакций в растворе. Именно Бойль привел в систему известные в то время качественные реакции и предложил несколько новых (на аммиак, хлор и др.), применил лакмус для обнаружения кислот и щелочей.

М.В. Ломоносов (1711-1765) впервые начал систематически применять в химических исследованиях взвешивание вступающих в реакцию веществ и продуктов реакции. Этим самым были заложены теоретические основы количественного анализа. К заслугам М.В. Ломоносова в области аналитической химии относится создание основ газово­го анализа, применение микроскопа для проведения качест­венного анализа по форме кристаллов, что в дальнейшем привело к развитию микрокристалло- скопического анализа.

Д. Дальтон (1766-1844) развил атомистическую тео­рию вещества и открыл закон кратных отношений, что легло в основу количественного химического анализа. В конце XVIII в. Т. Ловиц (1757-1804), развивая идеи М.В. Ломоносова, создал микрокристаллоскопический ана­лиз - метод качественного анализа солей по форме их крис­таллов; ВМ. Севергин (1765-1826) впервые предложил ко­лориметрический метод количественного анализа. Зна­менитый шведский химик Я. Берцелиус (1779-1848) стоял у истоков метрологии анализа. Оценивая ошибки опреде­лений, разработал точные методы взвешивания.

В начале XIX в. появляются первые руководства по хи­мическому анализу. В 1801 г. В. Лампадус в своей книге «Руководство по химическому анализу минеральных ве­ществ» впервые употребил термин «аналитическая хи­мия», который потом повторяется в последующих руко­водствах по анализу. Одновременно с этим руководством появляется уникальный труд Севергина «Пробирное ис­кусство, или Руководство к химическому испытанию металлических руд и других ископаемых тел».

В конце XVIII в. и в XIX в. трудами многих ученых - Т. Бергмана (1735-1784), Л. Тенара (1777-1857), К. Клауса (1796-1864) и других - был создан систематический ка­чественный анализ. В основу этого анализа Бергман положил сероводород, использовав его для получения осад­ков со многими катионами. Работу по созданию система­тического качественного анализа завершил К. Фрезениус (1818-1897), который написал учебники по качественно­му и количественному анализу и основал первый журнал по аналитической химии. В XX в. были предложены дру­гие схемы систематического качественного анализа кати­онов: кислотно-основная, аммиачно-фосфатная и т. д.

К середине XIX в. в числе методов количественного анализа оформились титриметрические и гравиметриче­ские методы, способы элементного органического анали­за, методы газового анализа.

В титриметрическом анализе уже в 1750 г. в качестве титранта стали использовать раствор с известной концентрацией, а индикатором служил фиалковый экстракт. Уже были предложены устройства для титрования пипетки и бюретки. Термин «титрование» был впервые вве­ден Ж. Гей-Люссаком (1778-1850).

Гравиметрический (весовой) анализ подробно описан в учебнике Фрезениуса (1846). Метод основывался на коли­чественном выделении нужного вещества в осадок, затем высушивании, прокаливании и взвешивании осадка. Позд­нее (1883) были предложены беззольные фильтры и орга­нические осадители.

Метод анализа органических соединений на содержа­ние основных элементов — С, Н, N и других — был разрабо­тан и усовершенствован Я. Берцелиусом и Ю. Либихом (1803- 1873).

В 1857 г. Р. Бунзен (1811-1899) разработал метод газо­вого анализа, а в 1859-1860 гг. он совместно с Г. Кирхгофом (1824-1887) предложил метод спектрального анализа для качественного и количественного исследования веществ.

В 1871 г. в России появился первый учебник по анали­тической химии Н. А. Меншуткина (1842-1907). Огром­ное влияние на развитие аналитической химии оказало открытие в 1869 г. Д.И. Менделеевым (1834-1907) периодического закона. Применение органических реактивов значительно расширило возможности аналитической хи­мии. МЛ. Ильинский (1856-1941) в 1885 г. предложил α-нитрозо-β-нафтол как реактив на ионы кобальта; систематические исследования по применению органических реагентов в аналитической химии проводил Л А. Чугаев (1873—1922). В результате своих исследований он предло­жил в 1905 г. диметилглиоксим для обнаружения и опре­деления ионов никеля. По своим аналитическим характе­ристикам диметилглиоксим остается одним из важней­ших реагентов в современной аналитической химии, извест­ным во всем мире как реактив Чугаева. Развитие аналити­ческой химии связано с законом действующих масс К. Гульдберга (1836-1902) и П. Вааге (1833-1900) и теори­ей электролитической диссоциации С. Аррениуса (1859-1927). Большое значение для развития окислительно-вос­становительных методов аналитической химии имели работы Л.В. Писаржевского (1874-1938) и Н.А. Шилова (1872—1930) по электронной теории окислительно-восстановительных процессов.

В 1903 г. М.С. Цвет (1872-1919) предложил хроматографический анализ — эффективный способ разделения близких по свойствам соединений, основанный на исполь­зовании адсорбционных свойств веществ. В последующие годы были созданы разные варианты хроматографического анализа.

Среди экспрессных методов важное значение имеет ка­пельный метод для дробного обнаружения ионов, разра­ботанный Н. А. Тананаевым (1878-1959).

В 1925 г. Я. Гейровский (1890-1967) разработал поля­рографический метод исследования, за который в 1959 г. ему была присуждена Нобелевская премия.

Во второй половине XX в. появилось много физических и химических методов анализа: масс-спектрометрические, рентгеновские, новые варианты электрохимических методов, фотометрические и кинетические.

В настоящее время аналитическая химия уже не являет­ся только частью химии. Она тесно связана с физикой, тех­никой. Химический анализ в значительной мере базирует­ся на достижениях спектроскопии (оптической, рентгенов­ской, радиочастотной), ядерной физики и других разделов физики. Многие методы анализа появляются и совершенст­вуются под влиянием прогресса в приборостроении.

В современной аналитической химии широко исполь­зуются автоматизация и математизация, компьютеры, создаются методы локального, неразрушающего, дистан­ционного и непрерывного анализа. Современная аналити­ческая химия представляет собой науку, обладающую данными, которые можно использовать для разработки новых аналитических методов.

ЧАСТЬ

____________________________________________________________