Аналітична хімія

Аналітична хімія, наука про визначення хімічного складу речовин і, в деякій мірі, хімічним будови сполук. Аналітична хімія розвиває загальні теоретичні основи хімічного аналізу, розробляє методи визначення компонентів досліджуваного зразка, вирішує завдання аналізу конкретних об'єктів.

Основна мета аналітичної хімії - забезпечити в залежності від поставленого завдання точність, високу чутливість, експресному та (або) вибірковість аналізу. Розробляють методи, що дозволяють аналізувати мікрооб'єкт (мікрохімічного аналіз), проводити локальний аналіз (в точці, на поверхні і т.д.), аналіз без руйнування зразка (Неруйнівний аналіз), на відстані від нього (дистанційний аналіз), безперервний аналіз (наприклад в потоці), а також встановлювати, у виді якого хімічної сполуки і в складі якої фази існує у зразку визначається компонент (фазовий аналіз). Важливі тенденції розвитку аналітичної хімії-автоматизація аналізів, особливо при контролі технологічних процесів (Автоматизований аналіз), і математизація, в Зокрема широке використання ЕОМ,

Можна виділити три великі напрямки аналітичної хімії: загальні теоретичні основи; розробка методів аналізу; аналітична хімія окремих об'єктів. У залежно від мети аналізу розрізняють якісний аналіз і кількісний аналіз. Завдання перше - виявлення та ідентифікація компонентів аналізованого зразка, друге - визначення їх концентрацій або мас. Залежно від того, які саме компоненти потрібно виявити або визначити, розрізняють ізотопний аналіз, елементний аналіз, структурно-груповий (в т. ч. функціональний аналіз), молекулярний аналіз, фазовий аналіз. За природою аналізованого об'єкта розрізняють аналіз неорганічних і органічних речовин.

У теоретичних основи аналітичної хімії, істотне місце займає метрологія хімічного аналізу, у тому числі статистична обробка результатів. Теорія аналітичної хімії включає також вчення про відбір та підготовки аналітичних проб, про складанні схеми аналізу та виборі методів, засади та шляхи автоматизації аналізу, застосування ЕОМ, а також основи народногосподарського використання результатів хімічного аналізу Особливість аналітичної хімії - вивчення не загальних, а індивідуальних, специфічних властивостей і характеристик об'єктів, що забезпечує вибірковість багатьох аналітичних методів. Завдяки тісним зв'язках з досягненнями фізики, математики, біології та різних областей техніки (це особливо стосується методів аналізу) аналітична хімія перетворюється на дисципліну на стику наук.

У Аналітичної хімії розрізняють методи розділення, визначення (виявлення) та гібридні, поєднують методи перших двох груп. Методи визначення підрозділяють на хімічні методи аналізу (гравіметричний аналіз, тітріметрія), фізико-хімічні методи аналізу (наприклад, електрохімічний, фотометричний, кінетичний), фізичні методи аналізу (спектральні, ядерно-фізичні та тощо) і біологічні методи аналізу. Іноді методи визначення ділять на хімічні, засновані на хімічних реакціях, фізичні, що базуються на фізичних явищах, і біологічні, що використовують відгук організмів на зміни в навколишньому середовищі.

Практично всі методи визначення засновані на залежності будь-яких доступних виміру властивостей веществв від їх складу. Тому важливий напрямок аналітичної хімії - Відшукання і вивчення таких залежностей з метою використання їх для вирішення аналітічкскіх завдань. При цьому майже завжди необхідно нйті рівняння зв'язку між властивістю і складом, розробити способи реєстрації свойствава (аналітичного сигналу), усунути перешкоди з боку др, компонентів, виключити заважає вплив розл. факторів (наприклад, флуктуації температури). Величину аналітичного сигналу переводять до одиниці, що характеризують кількість або концентрацію компонентів. Вимірюваними властивостями можуть бути, наприклад, маса, об'єм, светопоглощеніе.

Велике увага приділяється теорії методів аналізу. Теорія хімічних і частково фізико-хімічних методів базується на уявленнях про кілька основних типах хімічних реакцій, широко використовуваних в аналізі (кислотно-основних, окіслнтельно-восстановітітельних, комплексоутворення), та кількох важливих процесах (осадження-розчинення, екстракції). Увага й цих питань обумовлено історією розвитку аналітичної хімії та практичною значущістю відповідних методів. Оскільки, однак, частка хімічних методів зменшується, а частка фізико-хімічних і фізичних методів зростає, бол'шое значення набуває удосконалювання теорії методів двох останніх груп і інтегрування теоретичних аспектів окремих методів в загальній теорії аналітичної хімії.

Короткий історичний нарис

Існує думка, що інтерес до історії дисципліни зростає в періоди, коли ця наука переживає якщо не застій, то, у всякому разі, розвивається спокійно, еволюційно. За часів же "бурі й натиску", коли одне відкриття випереджає інше, коли поспішають перевірити і реалізувати можливості народжуються один за іншому методів, - в такі часи, кажуть, не до історії.

У такому висловлюванні є логічний зміст, проте вивчати історію науки необхідно і в бурхливі періоди розвитку; фахівець повинен бути знайомий з історією. Знання історії науки озброює вченого методологічно. Знання історії своєї дисципліни зміцнює любов до науки, залучає до неї. Багато вчених, до думки яких варто прислухатися, вважали, що вивчення історії є навіть інструментом розвитку науки сьогоднішньої. В. І. Вернадський, наприклад, писав, що "Історія науки є ... знаряддям досягнення нового ".

Вивчення минулого аналітичної хімії життєво необхідно для розуміння її особливостей, механізмів розвитку, витоків її методів, для оцінки того, що нас очікує. Знайомство з історією аналітичної хімії - заняття до того ж вельми цікаве. У діяльності вчених минулого часто можна побачити приклад, іноді ідеал.

"Наука захоплює нас тільки тоді, коли, зацікавившись життям великих дослідників, ми починаємо стежити за історією їх відкриттів "(Д. К. Максвелл).

Аналітична хімія - до певної міри першооснова всієї хімії, цю думку ми зустрічаємо у багатьох істориків хімічної науки. Наприклад, відкриття нових елементів - адже це аналітична задача. У всякому разі, так було до останнього часу, коли нові елементи стали "робити" фізики-ядерники, та й то без хіміко-аналітичної методології обійтися вони не можуть.

Аналітична хімія пройшла великий історичний шлях. Можна виділити наступні періоди: наука стародавніх; алхімія (IV-XVI ст.), іатрохімія (XVI-XVII ст.), епоха флогістону (XVII-XVIII ст.), Період наукової хімії (XIX-XX ст.); Сучасний період.

Аналіз в давнину. Хімічний аналіз проводиться з незапам'ятних часів. Перший аналітичний прилад - ваги - відомий з глибокої давнини. Аналізу піддавали руди, сплави, вироби з дорогоцінних металів. У римського історика Плінія описана методика аналізу золота, ще раніше про оцінку вмісту золота писав імператор Вавилона. Пліній пише про використання екстракту дубильних горішків як реактиву. За допомогою папірусу, просоченого екстрактом, відрізняли мідь від заліза (в розчині сульфату заліза папірус чорнів). В давнину вміли визначати концентрацію за питомою вагою; саме поняття "питома вага" відомо по крайней мірою з часів Архімеда. Очевидно, друга за часом появи аналітичним приладом був ареометр, він описаний в працях давньогрецьких вчених. У творі Теофраста "Про каміння" йдеться про визначення золота за допомогою так званого пробного, або пробірного, каменю; цей спосіб застосовується і до цих пір, наприклад в інспекціях пробірного нагляду.

За часів алхімії виконано величезний обсяг експериментальних робіт, що забезпечило розвиток техніки хімічних операцій і накопичення великої конкретної інформації про властивості речовин. Було знайдено багато способів розрізняти речовини. Був відпрацьований метод визначення золота та срібла, заснований на "пробірної плавці "- плавленні у присутності відновлення і металу-носія (звичайно свинцю), в розплаві якого добре розчиняються дорогоцінні метали. Під Франції в XIV ст. цей спосіб був детально описаний в королівському декреті Філіпа VI (1343 р.) - усім було наказано користуватися саме цим методом.

Отримав подальший розвиток метод пробного каменя; суть його полягає в тому, що виробами із золота на поверхні пробного каменя наносять подряпини. Їх колір, точніше відтінок, і товщина залежать від вмісту золота. У середні століття стали використовувати шкалу з 24 голок з різним вмістом золота.

Для аналізу стали використовувати розчини. Були відкриті цинк, сурма і вісмут.

У період іатрохіміі з'явилися нові способи виявлення речовин, засновані на переведенні їх у розчин. Наприклад, була відкрита реакція срібла з хлорид-іонами. Як пишуть Ф. Сабадварі і А. Робінсон, автори книги "Історія аналітичної хімії", в цей період було відкрито більшість хімічних реакцій, використаних згодом при розробці класичної схеми якісного аналізу. Чернець Василь Валентин ввів поняття "осадження", "осад".

Істотне місце в історії аналітичної хімії займає англійський вчений Роберт Бойль (XVII ст.), Який ввів термін "хімічний аналіз". З часів Р. Бойля і до першої половини ХІХ ст. аналітична хімія була основною частиною хімії.

Здається, термін "Хімічний аналіз" вперше згадано Р. Бойл в листі до Ф. Клод, написаному в 1654 р. в маєтку Бойля, яке знаходилося в Ірландії. "Я) живу тут в варварської країні, - пише Бойль, - де хімічний дух так неправильно сприймається, а хімічним обладнанням так важко себе забезпечити, що годі й думати про алхімії, так як що-небудь здійснити тут неможливо ... Що стосується мене, то я не можу жити марно або бути абсолютно чужим вивчення природи. Оскільки я не маю колб та печей, щоб виконувати хімічні аналізи неживих об'єктів, я вправлялися в анатомування тварин ".

Р. Бойль систематично використовував екстракти рослин (лакмус, фіалка та ін) і тварин тканин для визначення кислотності і лужності розчинів; наприклад, він встановив, що в лужному розчині екстракт фіалки стає зеленим. Відоме з давніх часів властивість екстракту дубильних горішків фарбуватися в присутності заліза і міді було доповнено спостереженням, що інтенсивність що виникає при цьому забарвлення пов'язана з вмістом металу в розчині. Відомо, що Бойль судив про склад опадів за формою що утворюються кристалів; він проводив фракційну кристалізацію. Бойль відділив хімію від медицини, це був кінець епохи іатрохіміі.

Час теорії флогістон а. У XVIII ст. багато що було зроблено в галузі вивчення газів. Творцями газового аналізу працювали були приблизно в один час Г. Кавевдіш (показав, що вода - складна речовина), Дж. Прістлі, К. Шеєле, Дж. Блек. З їх іменами пов'язано відкриття кисню та водню, а також багато інших відкриттів. Наприклад, шведський учений К. Шеєле отримав щавлеву кислоту, яку сам і запропонував вперше як реагент на кальцій. Одним з провідних аналітиків XVIII століття був А. Маргграф, який почав використовувати мікроскоп в хімічному аналізі, ввів нові методи, в тому числі спосіб визначення срібла за допомогою хлориду.

Як курйозу відзначимо, що угорський вчений Я. Вінтерль опублікував спосіб визначення флогістону.

Найбільшим аналітиком XVIII ст. був шведський хімік Т. Бергман (1735-1784). Він вперше провів розходження між якісним і кількісним аналізом, узагальнив накопичений на той час матеріал про застосування паяльної трубки в аналізі. У ті часи паяльна трубка була потужним інструментом аналітичного дослідження; наприклад, з її допомогою було встановлено якісний склад багатьох мінералів, відкрито чимало елементів. Особливо великою заслугою Бергмана було те, що він встановив вплив вуглецю та фосфору на властивості заліза. Точне визначення вмісту вуглецю в різних зразках заліза, отриманого з використанням кам'яного вугілля, відкрило дорогу сучасній металургії. Зараз всі знають, чим відрізняються, скажімо, сталь і чавун. Хоча хімічний аналіз і був відомий за дві тисячі років до Бергмана, цей шведський вчений надав йому статус окремого напрямку науки - аналітичної хімії, створив першу схему якісного хімічного аналізу.

Період наукової хімії. Кінець XVIII - початок XIX ст. характеризувалися загальновідомими відкриттями А. Л. Лавуазьє (киснева теорія горіння, закон збереження речовини, відмінність між елементами і сполуками), похована теорію флогістону.

У цей період відбулося становлення законів стехіометрії - фундаментальної бази аналітичної хімії. Біля витоків цих досліджень стояв німецький вчений І. В. Ріхтер. У студентські роки на нього велике враження справили слова його вчителя філософа Е, Канта про те, що в окремих напрямах природничих наук справжньої науки стільки, скільки в ній математики. Ріхтер присвятив свою дисертацію використанню математики в хімії. Не будучи по суті хіміком, Ріхтер ввів перші кількісні рівняння хімічних реакцій, став використовувати термін "стехіометрії", почав визначати атомні ваги.

Ідея про те, що хімічні сполуки мають певний, чітко встановлений склад (розвинена далі Ж. Л. Прустом, і особливо Дж. Дальтон), зустріла заперечення французького хіміка К. Л. Бертолле. Він опублікував теорію, згідно з якою склад хімічної сполуки, що утворюється двома елементами, може змінюватися в будь-яких межах і співвідношеннях. "Будь ця теорія правильна, - пишуть історики хімії, - вона зруйнувала б всю теоретичну базу кількісного аналізу того часу ".

Закон кратних відносин (Дальтон), шкала атомних ваг - все це дійсно лягло в основу кількісного хімічного аналізу.

Знаменитий шведський хімік Я. Берцеліус (1779-1848) продовжував лінію І. Ріхтера, на основі аналізу оксидів він визначив атомні ваги майже всіх відомих тоді елементів, ввів символи елементів, хімічні формули, активно проводив аналітичні розрахунки на основі правил стехіометрії. Берцеліус стояв біля витоків метрології аналізу. Він оцінював помилки визначень, розробив точні методи зважування, йому належить методика визначення платинових металів. Шведський вчений намагався створити нову схему якісного аналізу. При аналізі силікатів Берцеліус застосував фторістоводородную кислоту - прийом, який широко використовується і до цього дня; використовував сублімації хлоридів для розділення металів.

Перші керівництва по хімічному аналізу з'явилися ще за часів алхімії. У XVII ст. їх було вже чимало. У 1790 р. в Ієні була видана книга І. Гетглінга "Повна хімічна пробірна палата ", в 1799 р. у Франції - праця Л. Н. ВОКЛА "Керівництво випробувача", В. А. Лампадіус в 1801 р. опублікував "Посібник з хімічному аналізу мінеральних речовин ", де з'являється термін" аналітична хімія ", термін приживається, наприклад, у книзі К. Праффа" Руководство по аналітичної хімії для хіміків, державних лікарів, аптекарів, сільських господарів і рудознатци "(1821).

В аналітичній хімії до самого останнього часу велике значення мав систематичний якісний аналіз. Якщо ще раз поглянути на історію якісного хімічного аналізу, то можна відзначити деякі її віхи. Р. Бойль, мабуть, першим використовував сірководень як хімічний ре 1гент для виявлення олова і свинцю. Бергман зробив сірководень одним з головних реактивів, використавши його для отримання опадів з багатьма металами. У цьому напрямку багато працювали також Ж. Л. Гей-Люссак та інші хіміки ХГХ ст. Окремі якісні реакції накопичувалися ще з середніх віків, в числі щодо нових можна назвати реакцію йоду з крохмалем (Ф. Штромайер, 1815), фосфору з молібдати (Л. Ф. Сванберг, 1848). Для отримання сірководню стали використовувати апарат кіп (1864). "Сучасна" сірководнева схема якісного аналізу оформилася в працях Г. Розі, К. Р. Фрезеніус і ін Пізніше, в основному в нинішньому столітті, були запропоновані й інші схеми.

Серед методів кількісного аналізу до середини XIX ст.оформилися тітріметріческіе, гравіметричні методи, способи елементного органічного аналізу, методи газового аналізу.

Основи тітріметріческого методу були закладені ще в середині XVIII століття, метод народився як відповідь на вимоги промисловості. Це приклад методу, який розвивався під натиском практичних завдань. Першими і головними власне хімічними продуктами промисловості були сірчана і соляна кислоти, сода і хлорне вода; їх застосовували, наприклад, при відбілюванні тканин. Виробництво і застосування хімічних речовин було потрібно контролювати. Ще в 1726 р. К. Ж. Жоффруа здійснив нейтралізацію кислот в аналітичних цілях. Оцтову кислоту нейтралізували карбонатом калію; індикатором, що свідчить про кінець такого "Титрування", служило припинення виділення газу.

До 1750 в як титранту стали використовувати розчин з певною концентрацією, а індикатором служив фіалковий екстракт. Важливе прикладне значення мало використання тітріметріі в процесі вибілювання тканин у Франції (Ф. Декруазіль та ін); в 1795 р. був запропонований метод визначення гіпохлориту. Тут були відпрацьовані пристрої для титрування - піпетки, бюретки, мірні колби. Ж. Л. Гей-Люссак пізніше запропонував індиго як індикатор для окисно-відновного титрування. Він ввів і термін "титрування".

гравіметричний (ваговий) аналіз докладно описаний у підручнику К. Р. Фрезеніус (1846, російська переклад 1848). Метод грунтувався на кількісному виділення потрібного речовини в осад, висушуванні, прожарюванні і зважуванні. Пізніше (1883) були запропоновані беззольние фільтри, фільтруючі тиглі Ф. Гучан (1878), органічні осадігелі. Вже в XX в. з'явилися осадження "з гомогенного розчину", термогравіметрія.

По суті, гравіметричним був і елементний аналіз органічних речовин. Перші аналізи такого роду виконував А. Л. Лавуазьє, він знайшов, наприклад, що в спирті співвідношення С: Н одно 3,6:1 (справжнє 4:1). Основну класичну схему аналізу на вуглець і водень розробив німецький хімік Ю. Лібіх в першій половині XIX в. Француз Ж. Б. Дюма запропонував (1831) метод визначення азоту, але зараз більше значення має метод І. Кьельдаля (1883). Багато пізніше австрійський вчений Ф. Прегль розробив способи мікроаналізу, за які був удостоєний Нобелівської премії (1923).

З найбільш відомих книг XIX ст. відзначимо "Керівництво з аналітичної хімії" Г. Розі (1829), "Руководство по якісному хімічному аналізу" К. Р. Фрезеніус (1841). У Росії наприкінці ХГХ ст. був широко розповсюджений підручник "Аналітична хімія ", написаний Н. А. Меншуткина, який видавався 16 разів, в тому числі і після революції.

Аналітичні реагенти традиційно були неорганічними і органічними (екстракти дубильних горішків або фіалок, щавлева кислота). У другій половині XIX ст. кількість органічних з'єднань, що використовуються для аналізу, збільшується. Запропоновано (1879) реактив Гриссом на нітрит-іон (суміш a-нафтиламін і сульфаніловой кислоти дає з нітритом червоне забарвлення). М. А. Ільїнський (1885) використовував 1-нитрозила-2-нафтол як реагент на кобальт. Велике значення мали роботи Л. А. Чугаева, що застосував діметілгліоксім для виявлення і визначення нікелю.

Так звані інструментальні методи аналізу відомі теж давно - якщо вважати ваги аналітичним приладом. Перші спроби використовувати електрогравіметрію відносять до початку минулого століття, кількісні визначення (міді, нікелю, срібла) цим методом проводяться з 1864 р.

Важливою віхою була розробка атомно-емісійного спектрального аналізу (Німеччина, 60-і роки ХГХ ст., Фізик Г. Кирхгоф і хімік Р. Бунзен). Колориметричні, фотометричні методи сягають ще згадуваному спостереження Бойля про залежність інтенсивності забарвлення від вмісту металу. Суттєве значення мало встановлення закону светопоглощенія (П. Бугер, І. Ламберт, А. Бер, XVIII-XIX ст.). Російська мінералог В. М. Севергин на рубежі XVIII і ХГХ століть проводив аналізи, які ми сьогодні назвали б колориметричні. У 1846 р. описаний спосіб визначення міді по синій забарвленні її комплексу з аміаком, а в 1852 р. -- метод визначення заліза за забарвленням роданідного комплексу. Перший колориметр Дюбоск з'явився в 1870 р.

В самому кінці ХГХ ст. склалася теорія хімічних взаємодій, що використовуються в аналітичній хімії. Це заслуга німецького фізико-хіміка В. Оствальда, що опублікував у 1894 р. свою дуже відому книгу про теоретичні основи аналітичної хімії. У основу були покладені теорія електролітичної дисоціації і вчення про хімічний рівновазі в розчинах за участю іонів. Такий аспект теорії був пов'язаний з тим, що до цього часу переважне місце в аналітичній хімії зайняли методи аналізу у водних розчинах після переведення речовин в іонну стан. Ця теорія в основі своїй збереглася і до цих пір, хоча коло її дії ограни юн хімічними методами аналізу, вже не обіймають такого доми-ні> ующего положення, як за часів Оствальда.

Століття нинішній, новітній період історії аналітичної хімії, особливо багатий нововведеннями. Велике значення мало відкриття хроматографії (російський ботанік і біохімік М. С. Колір, 1903) та наступне створення різних варіантів хроматографічного методу - Процес, що продовжується досі. А. Мартін і Р. Сіндж за роботи з розподільної хроматографії були удостоєні Нобелівських премій, А. Тізеліус - За дослідження з електрофорез і "адсорбційного аналізу". Був запропонований і розвинуто метод полярографії, за який чехословацький вчений Я. Гейровській теж був удостоєний премії.

Значним доповненням до тітріметріческім методів був розвиток так званого комплексонометріческого титрування - методу, заснованого на використанні (у як титранту) поліамінополікарбонових кислот, названих "комплексон". Власне кажучи, майже всі методи базувалися на застосуванні однієї кислоти -- етилендіамінтетраоцтової. Вклад в цей напрямок внесений перш за все швейцарським хіміком Г. Шварценбахом, а також чехословацьким вченим Р. Пршібілом та ін (30-50-і роки).

З'явилося багато фізичних і хімічних методів аналізу - мас-спектрометричні, рентгенівські, ядерно-фізичні, нові варіанти електрохімічних методів, інтенсивно розвивалися фотометричні методи (особливо з використанням органічних реагентів). Потрібно відзначити розробку і широке поширення атомно-абсорбційного методу (А. Уолш, К. Алкемаде, Б. В. Львів, 50-і роки).

Про розвиток аналітичної хімії в Росії згадувалося раніше. Слід додати, що кілька членів Петербурзької академії наук активно займалися хімічним аналізом - М. В. Ломоносов (1711-1765), Т. Е. Ловіц (1757-1804), В. М. Севергин (1765-1826), Г. И. Гесс (1802-1850), Ф. Ф. Бейльштейн (1838-1906). За радянських часів аналітична хімія успішно допомагала вирішувати багато науково-технічні проблеми державного значення (освоєння атомної енергії, напівпровідники і ін.) Відомі й великі наукові досягнення. Н. А. Тананаев розробив крапельний метод якісного аналізу (мабуть, одночасно з австрійським, пізніше бразильським, аналітиком Ф. Файглем). Великий внесок радянські аналітики внесли до вивчення комплексоутворення і його використання у фотометричному аналізі (І. П. Алімарін, А. К. Бабко, Н. П. Комарь тощо), у створення та вивчення органічних аналітичних реагентів, розвиток електрохімічних методів аналізу. Б. В. Львів запропонував електротермічних варіант атомно-абсорбційного методу - досягнення, визнане в усьому світі. Багато чого зроблено в розвитку хроматографії, екстракції та інших методів розділення. Серйозні позиції завойовані в галузі аналізу металів, геологічних об'єктів, речовин високої чистоти, у сфері автоматизації аналізу.

Сьогоднішній день аналітичної хімії характеризується багатьма змінами: розширюється арсенал методів аналізу, особливо в бік фізичних та біологічних; автоматизація і математизація аналізу; створення прийомів і засобів локального, неруйнівного, дистанційного, безперервного аналізу; підхід до вирішення задач про формах існування компонентів у аналізованих пробах; поява нових можливостей для підвищення чутливості, точності і експресному аналізу; подальше розширення кола аналізованих об'єктів. Широко використовують тепер комп'ютери, багато що роблять лазери, з'явилися лабораторні роботи; значно піднялася роль аналітичного контролю, особливо об'єктів оточуючого нас середовища.

Зріс інтерес до методологічних проблем аналітичної хімії. Як чітко визначити предмет цієї науки, яке місце займає вона в системі наукового знання, фундаментальна це наука чи прикладна, що стимулює її розвиток - ці та подібні питання були предметом багатьох дискусій.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://chemistry.narod.ru/