Аналитическая химия, наука об определении химического состава
веществ и, в некоторой степени, химического строения соединений. Аналитическая химия развивает общие
теоретические основы химического анализа, разрабатывает методы определения компонентов
изучаемого образца, решает задачи анализа конкретных объектов.
Основная цель аналитической химии - обеспечить в зависимости от поставленной задачи точность,
высокую чувствительность, экспрессность и (или) избирательность анализа.
Разрабатываются методы, позволяющие анализировать микрообъекты (смотри Микрохимический
анализ), проводить локальный анализ(в точке, на поверхности и т.д.),
анализ без разрушения образца (см. Неразрушающий анализ), на расстоянии
от него (дистанционный анализ), непрерывный анализ (например, в потоке), а
также устанавливать, в виде какого химического соединения и в составе какой фазы существует
в образце определяемый компонент (фазовый анализ). Важные тенденции
развития аналитической химии - автоматизация анализов, особенно при контроле технологических процессов
и математизация, в частности широкое использование ЭВМ.
Структура. Можно выделить три крупных направления аналитической химии: общие теоретические
основы; разработка методов анализа; аналитическая химия отдельных объектов. В зависимости
от цели анализа различают качественный анализи количественный анализЗадача первого - обнаружение и идентификация компонентов анализируемого
образца, второго - определение их концентраций или масс.
В зависимости от того, какие именно компоненты нужно обнаружить или определить, различают
изотопный анализ, элементный анализ, структурно-групповой (в т.
ч. функциональный анализ), молекулярный анализ, фазовый анализ. По природе анализируемого объекта различают анализ неорганических и органических веществ.
В теоретич. основах аналитической химии существенное место занимает метрология
химического анализа, в том числе статистическая обработка результатов. Теория
аналитической химии включает также учение об отборе и подготовке аналитических проб.
о составлении схемы анализа и выборе методов, принципах и путях автоматизации
анализа, применения ЭВМ, а также основы народнохозяйств. использования
результатов хим. анализа. Особенность аналитической химии - изучение не общих, а индивидуальных,
специфических свойств и характеристик объектов, что обеспечивает избирательность
мн. аналитичекских методов. Благодаря тесным связям с достижениями физики, математики,
биологии и разл. областей техники (это особенно касается методов анализа)
аналитическая химия превращена в дисциплину на стыке наук.
В аналитической химии различают методы разделения, определения (обнаружения) и гибридные,
сочетающие методы первых двух групп. Методы определения подразделяют на
химические методы анализа (гравиметрический анализ, титриметрия), физико-химические
методы анализа (например, электрохимические, фотометрические, кинетические), физические
методы анализа (спектральные, ядерно-физические и другие) и биологические методы анализа. Иногда методы определения делят на химические, основанные
на химических реакциях, физические, базирующиеся на физических явлениях, и биологические,
использующие отклик организмов на изменения в окружающей среде.
Практически все методы определения основаны на зависимости каких-либо доступных
измерению свойств веществ от их состава. Поэтому важное направление аналитической химии -
отыскание и изучение таких зависимостей с целью использования их для решения
аналитических задач. При этом почти всегда необходимо найти уравнение связи между
свойством и составом, разработать способы регистрации свойства (аналитического сигнала),
устранить помехи со стороны других компонентов, исключить мешающее влияние
различных факторов (например, флуктуации температуры). Величину аналитического сигнала переводят
в единицы, характеризующие кол-во или концентрацию компонентов. Измеряемыми
свойствами могут быть, например, масса, объем, светопоглощение.
Большое внимание уделяется теории методов анализа. Теория химических и частично
физико-химических методов базируется на представлениях о нескольких основных типах
химических реакций, широко используемых в анализе (кислотно-основных, окислит.-восстановит.,
комплексообразования), и нескольких важных процессах (осаждения - растворения.
экстракции). Внимание к этим вопросам обусловлено историей развития аналитической химии и практической значимостью соответствующих методов. Поскольку, однако, доля
химических методов уменьшается, а доля физико-химических и физических методов растет, большое
значение приобретает совершенствование теории методов двух последних групп
и интегрирование теоретич. аспектов отдельных методов в общей теории аналитической химии.
История развития. Испытания материалов проводились еще в глубокой древности,
напр. руды исследовали с целью установления их пригодности для плавки,
различные изделия - для определения содержания в них Аи и Ag. Алхимики 14-16
вв. впервые применили взвешивание и выполнили огромный объем экспериментальных
работ по изучению свойств веществ, положив начало химическим методам анализа. В 16-17
вв. (период ятрохимии) появились новые химические способы обнаружения веществ, основанные
на реакциях в растворе (напр., открытие ионов Ag+ по образованию осадка
с ионами Cl-). Родоначальником научной аналитической химии считают Р. Бойля,
который ввел понятие "химический анализ".
До первой половины 19 века аналитическая химия была основным разделом химии. В этот период были
открыты многие химические элементы, выделены составные части некоторых природных веществ,
установлены законы постоянства состава и кратных отношений, закон сохранения
массы. Т. Бергман разработал схему систематического анализа, ввел H2S
как аналитический реагент, предложил методы анализа в пламени с получением перлов
и т.д. В 19 веке систематический качественный анализ усовершенствовали Г. Розе и
К. Фрезениус. Этот же век ознаменовался огромными успехами в развитии количественного
анализа. Был создан титриметрический метод (Ф. Декруазиль, Ж. Гей-Люссак),
значительно усовершенствован гравиметрический анализ, разработаны методы анализа
газов. Большое значение имело развитие методов элементного анализа органических
соединений (Ю. Либих). В конце 19 века сложилась теория аналитической химии, в основу которой
было положено учение о химическом равновесии в растворах с участием ионов (главным образом,
В. Оствальд). К этому времени преобладающее место в аналитической химии заняли методы
анализа ионов в водных растворах.
В 20 веке разработаны методы микроанализа органических соединений (Ф. Прегль).
Был предложен полярографич. метод (Я. Гейровский, 1922). Пoявилocь много
физико-химических и физических методов, например масс-спектрометрический, рентгеновский,
ядерно-физические. Большое значение имело открытие хроматографии (М.С.
Цвет, 1903) и создание затем разных его вариантов, в частности распределительной
хроматографии (А. Мартин иР. Синт, 1941).
В России и в СССР большое значение для развития аналитической химии имели работы Н.А.
Меншуткина (его учебник по аналитической химии выдержал 16 изданий). М.А. Ильинский, и
особенно Л.А. Чугаев ввели в практику органические аналитические реагенты (конец 19 - начало
20 вв.), Н.А. Тананаев разработал капельный метод качеств. анализа (одновременно
с Ф. Файглем, 20-е гг. 20 в.). В 1938 Н. А. Измайлов и М.С Шрайбер впервые
описали тонкослойную хроматографию. В 1940-е гг. были предложены плазменные
источники для атомно-эмиссионного анализа. Большой вклад советские ученые
внесли в изучение комплексообразования и его аналитического использования (И.П.
Алимарин, А.К. Бабко в теорию действия органических аналитических реагентов, в развитие
методов фотометрического анализа, атомно-абсорбционного спектроскопии. в аналитическая химия отдельных
элементов, особенно редких и платиновых, и ряда объектов - веществ высокой
чистоты, минер. сырья, металлов и сплавов.
Требования практики всегда стимулировали развитие аналитической химии Так, в 40-70-х
гг. 20 века в связи с необходимостью анализа ядерных, полупроводниковых и
др. материалов высокой чистоты были созданы такие чувствительные методы,
как радиоактивационный анализ. искровая масс-спектрометрия, химико-спектральный
анализ, вольтамперометрия, обеспечивающие определение до 10-7-
10-8% примесей в чистых веществах, то есть 1 часть примеси на 10-1000
млрд. частей основого вещества. Для развития черной металлургии, особенно в связи
с переходом к скоростному конвертерному производству стали, решающее значение
приобрела экспрессность анализа. Использование так называемых квантометров-фотоэлектрических
приборов для многоэлементного оптического спектрального или рентгеновского анализа
позволяет проводить анализ в ходе плавки за несколько минут.
Необходимость анализа сложных смесей орг. соединений обусловила интенсивное
развитие газовой хроматографии. которая позволяет анализировать сложнейшие
смеси, содержащие неск. десятков и даже сотен веществ. аналитическая химия в значительной
мере способствовала овладению энергией атомного ядра, изучению космоса
и океана, развитию электроники, прогрессу биологических наук.
Предмет исследования. Важную роль играет развитие теории отбора проб
анализируемых материалов; обычно вопросы пробоотбора решаются совместно
со специалистами по изучаемым веществам (например, с геологами, металловедами).
аналитическая химия разрабатывает способы разложения проб - растворение, сплавление, спекание
и т.д., которые должны обеспечивать полное "вскрытие" образца и не допускать
потерь определяемых компонентов и загрязнений извне. В задачи аналитической химии входит
развитие техники таких общих операций анализа, как измерение объемов, фильтрование.
прокаливание.
Одна из задач аналитической химии - определение направлений развития аналитического приборостроения,
создание новых схем и конструкций приборов (что чаще всего служит завершающей
стадией разработки метода анализа), а также синтез новых аналитических реактивов.
Для количеств.енного анализа очень важны метрологические характеристики методов
и приборов. В связи с этим аналитическая химия изучает проблемы градуировки, изготовления
и использования образцов сравнения (в том числе стандартных образцов) и других
средств обеспечения правильности анализа. Существенное место занимает обработка
результатов анализа, в том числе с использованием ЭВМ. Для оптимизации условий
анализа используют теорию информации, математическую теорию полезности, теорию распознавания
образов и другие разделы математики. ЭВМ применяются не только для обработки
результатов, но и для управления приборами, учета помех, градуировки, планирования
эксперимента. существуют аналит. задачи, решаемые только с помощью ЭВМ,
напр. идентификации молекул орг. соединений с использованием теории искусственного интеллекта.
Аналитическая химия определяет общий подход к выбору путей и методов анализа. Разрабатываются
способы сопоставления методов, условия их взаимозаменяемости и сочетания,
принципы и пути автоматизации анализа. Для практич. использования анализа
необходима разработка представлений о его результате как показателе качества
продукции, учение об экспрессном контроле технол. процессов, создание экономичных
методов. Большое значение для аналитиков, работающих в различных отраслях народного
хозяйства, имеет унификация и стандартизация методов. Разрабатывается теория
оптимизации кол-ва информации, необходимой для решения аналитической задачи.
Методы анализа. В зависимости от массы или объема анализируемого
образца методы разделения и определения иногда подразделяют на макро-,
микро- и ультрамикрометоды.
К разделению смесей обычно прибегают в тех случаях, когда методы прямого
определения или обнаружения не позволяют получить правильный результат
из-за мешающего влияния других компонентов образца. Особенно важно так называемое
относительное концентрирование - отделение малых количеств определяемых компонентов
от значительно больших количествв основных компонентов пробы. Разделение смесей
может базироваться на различии в термодинамических, или равновесных, характеристиках
компонентов (константы обмена ионов, константы устойчивости комплексов)
или кинетических параметров. Для разделения применяют главным образом хроматографию,
экстракцию, осаждение, дистилляцию, а также электрохимические методы, например электроосаждение.
Методы определения-основная группа методов аналитической химии В основе методов количественного
анализа лежит зависимость какого-либо измеримого свойства, чаще всего физического,
от состава образца. Эта зависимость должна описываться определенным и известным
образом.
Быстро развиваются гибридные методы анализа, объединяющие разделение
и определение. Например, газовая хроматография с различными детекторами - важнейший
метод анализа сложных смесей орг. соединений. Для анализа труднолетучих
и термически нестойких соед. более удобна высокоэффективная жидкостная
хроматография.
Для анализа необходимы разнообразные методы, поскольку каждый из них
имеет свои достоинства и ограничения. Так, чрезвычайно чувствительные радиоактивационные
и масс-спектральные методы требуют сложной и дорогостоящей аппаратуры.
Простые, доступные и очень чувствительные кинетические методы не всегда обеспечивают
нужную воспроизводимость результатов. При оценке и сопоставлении методов,
при выборе их для решения конкретных задач принимаются во внимание многие
факторы: метрологич. параметры, сфера возможного использования, наличие
аппаратуры, квалификация аналитика, традиции и др. Важнейшие среди этих
факторов - такие метрологич. параметры, как предел обнаружения или диапазон
концентраций (количеств), в котором метод дает надежные результаты, и точность
метода, то есть правильность и воспроизводимость результатов. В ряде случаев
большое значение имеют "многокомпонентные" методы, позволяющие определять
сразу большое число компонентов, например атомно-эмиссионный и рентгеновский
спектральный анализ, хроматография. Роль таких методов возрастает. При
прочих равных условиях предпочитают методы прямого анализа, не связанного
с химической подготовкой пробы, однако иногда такая подготовка необходима. Например,
предварительное концентрирование исследуемого компонента позволяет определять
меньшие его концентрации, устранять трудности, связанные с негомог. распределением
компонента в пробе и отсутствием образцов сравнения.
Особое место занимают методы локального анализа. Существенную роль среди
них играют рентгеноспектральный микроанализ (электронный зонд), масс-спектрометрия
вторичных ионов, спектроскопия оже-электронов и др. физ. методы. Они имеют
большое значение, в частности, при анализе поверхностных слоев твердых
материалов или включений в горных породах.
Специфическую группу составляют методы элементного анализа органических соединений.
Обычно органическое вещество тем или иным способом разлагают, а его компоненты в виде
простейших неорганических соединений (СО2, Н2О, NH3
и др.) определяют обычными методами. Применение газовой хроматографии позволило
автоматизировать элементный анализ; для этого выпускаются С-, Н-, N-анализаторы
и другие приборы-автоматы. Анализ органических соединений по функциональным группам (функциональный
анализ) выполняется различными химическими, электрохимическими, спектральными (ЯМР-, ИК-спектроскопия)
или хроматографическими методами.
При фазовом анализе, определении химического соединения, образующих отдельные
фазы, последние предварительно выделяют, например, с помощью избирательного
растворителя, а затем полученные растворы анализируют обычными методами; весьма
перспективны физические методы фазового анализа без предварительного разделения фаз.
Практическое значение. Химический анализ обеспечивает контроль многих
технологических процессов и кач-ва продукции во мн. отраслях промышленности, играет огромную
роль при поиске и разведке полезных ископаемых в горнодобывающей промышленности. С помощью
хим. анализа контролируется чистота окружающей среды (воды и воздуха).
Достижения аналитической химии используют в различных отраслях науки и техники: атомной энергетике,
электронике, океанологии, биологии, медицине, криминалистике, археологии,
космических исследованиях.
Велико народнохозяйственное значение химического анализа. Так, точное определение
легирующих добавок в металлургии позволяет экономить ценные металлы. Переход на непрерывный автоматический анализ в медицинских и агрохимимических лабораториях дает возможность
резко увеличить скорость анализов (крови, мочи, вытяжек из почв и т.д.) и уменьшить численность сотрудников лабораторий.
Литература: Золотев Ю. А., Очерки аналитической химии.М., 1977;
Пиккеринг У. Ф., Современная аналитическая химия, пер. с англ, М., 1977;
Бончев П., Введение в аналитическую химию, пер. с болт. Л., 1978; Фритц
Дж. С., Шенк Г. X., Количественный анализ, пер. с англ, М, 1978; Петере
Д., Хайес Дж., Хифтье Г., Химическое разделение и измерение, пер. с англ.,
кн. 1-2, М., 1978; Скуг Д., Уэст Д., Основы аналитической химии. пер. с
англ., т. 1-2, М., 1979. Ю. А. Золотое.
