Аналитическая хімія

Аналитическая химия

Аналитическая хімія, наука про визначення хімічного складу речовин й у певної міри, хімічним будівлі сполук. Аналітична хімія розвиває загальні теоретичні основи хімічного аналізу, розробляє методи визначення компонентів досліджуваного зразка, вирішує завдання аналізу конкретних об'єктів.

Основная мета аналітичної хімії - забезпечити залежно від поставленого завдання точність, високу чутливість, экспрессность і (чи) вибірковість аналізу. Розробляють методи, дозволяють аналізувати мікрооб'єкти (Микрохимический аналіз), проводити локальний аналіз (у точці, лежить на поверхні тощо.), аналіз без руйнації зразка (Неразрушающий аналіз), з відривом від цього (дистанційний аналіз), безперервний аналіз (наприклад, у потоці), і навіть встановлювати, як якого хімічного з'єднання заліза і у складі який фази існує у зразку визначається компонент (фазовий аналіз). Важливі тенденції розвитку аналітичної хіміїавтоматизація аналізів, особливо в контролі технологічних процесів (Автоматизований аналіз), і математизація, в частковості широке використання ЕОМ,.

Можно виділити три великих напрями аналітичної хімії: загальні теоретичні основи; розробляються методи аналізу; аналітична хімія окремих об'єктів. У залежність від мети аналізу розрізняють якісний аналіз політики та кількісний аналіз. Завдання першого — виявлення і ідентифікація компонентів аналізованого зразка, другого — визначення їх концентрацій чи мас. Залежно від цього, які саме компоненти потрібно знайти чи визначити, розрізняють ізотопний аналіз, елементний аналіз, структурно-групповой (в т. год. функціональний аналіз), молекулярний аналіз, фазовий аналіз. За природою аналізованого об'єкта розрізняють аналіз неорганічних і органічних речовин.

В теоретичних засадах аналітичної хімії, істотне його місце займає метрологія хімічного аналізу, зокрема статистичне опрацювання результатів. Теорія аналітичної хімії входять також вчення про відборі і підготовці аналітичних проб, про складанні схеми аналізу та виборі методів, засадах і шляхах автоматизації аналізу, застосування ЕОМ, і навіть 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 тісною зв’язків із досягненнями фізики, математики, біології і різноманітних галузей техніки (це особливо стосується методів аналізу) аналітична хімія перетворюється на дисципліну з кінця наук.

В Аналітичної хімії розрізняють методи поділу, визначення (виявлення) і гібридні, поєднують методи у перших двох груп. Методи визначення поділяють на хімічні методи аналізу (гравиметрический аналіз, титриметрия), фізико-хімічні методи аналізу (наприклад, електрохімічний, фотометричний, кінетичний), фізичні методи аналізу (спектральні, ядерно-физические і ін.) й біологічні методи аналізу. Іноді методи визначення ділять на хімічні, засновані на хімічних реакціях, фізичні, що базуються на фізичних явищах, й біологічні, використовують відгук організмів на зміни у навколишньому середовищі.

Практически все методи визначення засновані на залежності будь-яких доступних виміру властивостей веществв від своїх складу. Тому важливий напрям аналітичної хімії - пошук вивчення таких залежностей з використання їх задля рішення аналитичкских завдань. У цьому майже завжди необхідно нйти рівняння зв’язку між властивістю і складом, розробити способи реєстрації свойствава (аналітичного сигналу), усунути перешкоди із боку ін, компонентів, виключити заважає вплив разл. чинників (наприклад, флуктуації температури). Значимість аналітичного сигналу переводять їх у одиниці, що характеризують кількість чи концентрацію компонентів. Измеряемыми властивостями може бути, наприклад, маса, обсяг, светопоглощение.

Большое увагу приділяється теорії методів аналізу. Теорія хімічних і лише частково фізико-хімічних методів виходить з уявленнях про кілька основних типах хімічних реакцій, широко які у аналізі (кислотно-основных, окислнтельно-восстановитительных, комплексоутворення), і знання кількох важливих процесах (осадженнярозчинення, екстракції). Увага і вже цим питанням зумовлено історією розвитку аналітичної хімії і з практичної значимістю відповідних методів. Оскільки, проте, частка хімічних методів зменшується, а частка фізико-хімічних і фізичних методів зростає, болъшое значення набуває вдосконалення теорії методів двох останніх груп, і інтегрування теоретичних аспектів окремих методів у загальної теорії аналітичної хімії.

Краткий історичний очерк Существует думка, що цікавість до історії дисципліни зростає у періоди, коли дана наука переживає а то й застій, то, у разі, розвивається спокійно, еволюційно. За часів ж «бурі і натиску», коли одна відкриття випереджає інше, коли поспішають перевірити, і реалізувати можливості новонароджуваних друг за іншому методів, — на такі часи, кажуть, не дуже до истории.

В такому висловлюванні є логічний сенс, проте вивчення історії науки необхідне й в бурхливі періоди розвитку; фахівець має бути знайомий з історією. Знання історії науки озброює вченого методологічно. Знання історії своєї дисципліни зміцнює любов до науки, прилучає до неї. Багато вчених, до думки яких коштує прислухатися, вважали, що вивчення історії служить навіть інструментом розвитку науки сьогоднішньої. У. І. Вернадський, наприклад, писав, що «історія науки є … знаряддям досягнення нового».

Изучение минулого аналітичної хімії життєво необхідне розуміння її особливостей, механізмів розвитку, витоків її методів, з метою оцінки те, що нас очікує. Ознайомлення з історією аналітичної хімії — заняття при цьому дуже цікаве. Діяльність Калнишевського як учених минулого часто помітні приклад, іноді ідеал.

«Наука захоплює нами тільки тоді, коли, зацікавившись життям великих дослідників, ми починаємо ознайомитися з історією їх відкриттів» (Д. До. Максвелл).

Аналитическая хімія — певною мірою першооснова всієї хімії, цю думку ми зустрічаємо у багатьох істориків хімічної науки. Наприклад, відкриття нових елементів — адже це аналітична завдання. Принаймні, як було досі, коли нові елементи стали «робити» физики-ядерщики, та й без химико-аналитической методології обійтися де вони могут.

Аналитическая хімія пройшла великий історичний шлях. Можна виокремити такі періоди: наука древніх; алхімія (IV—XVI ст.), иатрохимия (XVI—XVII ст.), епоха флогістону (XVII—XVIII ст.), період наукової хімії (XIX—XX ст.); наш час.

Анализ в давнини. Хімічний аналіз здійснюється з здавна. Перший аналітичний прилад — ваги — відома з давнину. Аналізу піддавали руди, сплави, вироби з дорогоцінних металів. У римського історика Плінія описана методика аналізу золота, ще раніше включилися оцінки змісту золота писав імператор Вавилона. Пліній пише про використання екстракту дубильних горішків як реактиву. З допомогою папірусу, просоченого екстрактом, вирізняли мідь від заліза (в розчині сульфату заліза папірус чорнів). У давнину вміли визначати концентрацію по питомій вазі; саме поняття «питому вагу» відомо крайньої мері з часів Архімеда. Очевидно, другим за часом появи аналітичним приладом був ареометр, вона описана в працях давньогрецьких учених. У творі Теофраста «Про каменях» ідеться про визначенні золота з допомогою так званого пробного, чи пробірного, каменю; спосіб цей застосовується й досі пір, наприклад, у інспекціях пробірного надзора.

Во часи алхімії виконано величезний обсяг експериментальних робіт, що дало розвиток техніки хімічних операцій та накопичення великої конкретної інформації про властивості речовин. Знайшли багато способів розрізняти речовини. Був відпрацьований метод визначення золота і срібла, заснований на «пробірної плавленні» — плавленні у присутності відновлювача і металла-носителя (зазвичай свинцю), в розплаві якого добре розчиняються дорогоцінні метали. У Франції в XIV в. цей спосіб був детально описаний у королівському декреті Філіппа VI (1343 р.) — всім наказали користуватися саме цим методом.

Получил розвиток метод пробний камінь; суть його у цьому, що виробами з золота лежить на поверхні пробний камінь завдають подряпини. Їх колір, точніше відтінок, і товщина залежить від змісту золота. У середньовіччі стали використовувати шкалу з 24 голок з різними змістом золота.

Для аналізу використовують розчини. Було відкрито цинк, сурма і висмут.

В період иатрохимии з’явилися нові шляхи виявлення речовин, засновані на перекладі в розчин. Наприклад, було відкрито реакція срібла з хлорид-ионами. Як пишуть Ф. Сабадвари й О. Робінсон, автори книжки «Історія аналітичної хімії», у цей період було відкрито більшість хімічних реакцій, використаних згодом розробки класичної схеми якісного аналізу. Чернець Василь Валентин ввів поняття «осадження», «осадок».

Существенное місце у історії аналітичної хімії займає англійський учений Роберт Бойль (XVII в.), запровадивши термін «хімічний аналіз». Після Р. Бойля і по у першій половині ХIX в. аналітична хімія була основною частиною химии.

Кажется, термін «хімічний аналіз» вперше згаданий Р. Бойлем у листі до Ф. Клодию, написаному в 1654 р. у маєтку Бойля, що містилося в Ірландії. «Я) живу тут у варварської країні, — пише Бойль, — де хімічний дух так неправильно сприймається, а хімічним устаткуванням важко себе забезпечити, що годі й думати про алхімії, оскільки щось здійснити тут неможливо… Що мене, то ми не можу жити марно або бути цілком чужим вивченню природи. Позаяк маю колб і печей, щоб виконувати хімічні аналізи неживих об'єктів, я вправляюся в анатомировании животных».

Р. Бойль систематично використовував екстракти рослин (лакмус, фіалка та інших.) і тварин тканин визначення кислотності і лужності розчинів; наприклад, він встановив, що у лужному розчині екстракт фіалки стає зеленим. Відому віддавна властивість екстракту дубильних горішків забарвлюватися в присутності заліза і міді було доповнене наглядом, що інтенсивність виникає у своїй забарвлення пов’язана з утриманням металу у розчині. Відомо, що Бойль судив складу опадів формою які виникають кристалів; він проводив фракційну кристалізацію. Бойль відокремив хімію від медицини, це був кінець епохи иатрохимии.

Время теорії флогістон а. У XVIII в. чимало зробили у сфері вивчення газів. Творцями газового аналізу були працювали приблизно свого часу Г. Кавевдиш (показав, що вода — складне речовина), Дж. Прістлі, До. Шееле, Дж. Блек. З їхніми іменами пов’язано відкриття кисню і водню, і навіть багато інших відкриттів. Наприклад, шведський учений До. Шееле отримав щавлеву кислоту, яку сама і запропонував вперше як реагент на кальцій. Однією з провідних аналітиків XVIII століття був А. Маргграф, який почав використовувати мікроскоп в хімічному аналізі, ввів нові методи, зокрема спосіб визначення срібла з допомогою хлорида.

В ролі курйозу відзначимо, що угорський учений Я. Винтерль опублікував спосіб визначення флогистона.

Крупнейшим аналітиком XVIII в. знаходилося шведське хімік Т. Бергман (1735—1784). Він першим провів різницю між якісним і кількісним аналізом, узагальнив накопичений на той час матеріал про застосування паяльною трубки в аналізі. У часи паяльная по тому мобільника потужними інструментами аналітичного дослідження; наприклад, з її допомогою було встановлено якісний склад багатьох мінералів, відкрито чимало елементів. Особливо великої заслугою Бергмана було очевидно: він встановив вплив вуглецю і фосфору на властивості заліза. Точне визначення змісту вуглецю у різних зразках заліза, отриманого з використанням кам’яного вугілля, відкрило дорогу сучасної металургії. Зараз всім відомо, чим відрізняються, скажімо, сталь і чавун. Хоча хімічний аналіз політики та був відомий понад дві тисячі років до Бергмана, цей шведський учений додав йому статус з окремим напрямом науки — аналітичної хімії, створив найпершу схему якісного хімічного анализа.

Период наукової хімії. Кінець XVIII — початок ХІХ ст. характеризувалися загальновідомими відкриттями А. Л. Лавуазьє (киснева теорія горіння, закон збереження речовини, відмінність між елементами та сполуками), похоронившими теорію флогистона.

В цей період сталося становлення законів стехиометрии — фундаментальної бази аналітичної хімії. Біля джерел цих досліджень стояв німецький учений І. У. Ріхтер. У студентські року в нього велике враження справив слова його вчителя філософа Еге, Канта у тому, що у окремих напрямах математично-природничої грамотності істинної науки стільки, як у ній математики. Ріхтер присвятив свою дисертацію використанню математики хімії. Не в сутності хіміком, Ріхтер ввів перші кількісні рівняння хімічних реакцій, став вжити термін «стехиометрия», почав визначати атомні веса.

Идея у тому, що хімічні сполуки мають певний, чітко який установлюють склад (розвинена далі Ж. Л. Прустом, і особливо Дж. Дальтоном), зустріла заперечення французького хіміка До. Л. Бертолле. Він опублікував теорію, за якою склад хімічного сполуки, утвореного двома елементами, не може змінюватися в будь-яких межах повноважень і співвідношеннях. «Якби ця теорія правильна, — пишуть історики хімії, — вона зруйнувала б весь теоретичну базу кількісного аналізу того времени».

Закон кратних відносин (Дальтон), шкала атомних терезів — це справді лягло основою кількісного хімічного анализа.

Знаменитый шведський хімік Я. Берцелиус (1779—1848) продовжував лінію І. Ріхтера, з урахуванням аналізу оксидів він визначив атомні ваги майже всіх відомих тоді елементів, ввів символи елементів, хімічні формули, активно проводив аналітичні розрахунки з урахуванням правил стехиометрии. Берцелиус стояв біля витоків метрології аналізу. Він оцінював помилки визначень, розробив точні методи зважування, йому належить методику визначення платинових металів. Шведський учений намагався створити нову схему якісного аналізу. При аналізі силікатів Берцелиус застосував фтористоводородную кислоту — прийом, широко використовуваний і з сьогодні; використовував возгонку хлоридів потреби ділити металлов.

Первые посібники з хімічним аналізом з’явилися ще у період алхімії. У XVII в. їх було чимало. У 1790 р. в Єни було видано книжку І. Гетглинга «Повна хімічна пробірна палата», в 1799 р. мови у Франції — працю Л. М. Воклена «Керівництво випробувача», У. А. Лампадиус в 1801 р. опублікував «Посібник із хімічним аналізом мінеральних речовин», де з’являється термін «аналітична хімія», термін приживається, наприклад, у книзі До. Праффа «Посібник із аналітичної хімії для хіміків, державних лікарів, аптекарів, сільських господарів і рудознатцев» (1821).

В аналітичної хімії аж до останнього часу велике значення мало систематичний якісний аналіз. Ще раз подивитись історію якісного хімічного аналізу, можна відзначити деякі її віхи. Р. Бойль, певне, перший застосував сірководень як хімічний ре 1гент щоб виявити олова і свинцю. Бергман зробив сірководень однією з головних реактивів, використавши його щоб одержати опадів із багатьма металами. У напрямі багато працювали також Ж. Л. Гей-Люссак та інші хіміки ХГХ в. Окремі якісні реакції накопичувалися іще з середньовіччя, серед щодо нових може бути реакцію йоду з крохмалем (Ф. Штромайер, 1815), фосфору з молибдатом (Л. Ф. Сванберг, 1848). Для отримання сірководню використовують апарат Киппа (1864). «Сучасна» сірководнева схема якісного аналізу оформилася в працях Р. Розі, До. Р. Фрезеніус та інших. Пізніше, переважно у нинішньому столітті, було запропоновано та інші схемы.

В числі методів кількісного аналізу до середини в XIX ст. оформилися титриметрические, гравіметричні методи, способи елементного органічного аналізу, методи газового анализа.

Основы титриметрического методу було закладено в середині XVIII століття, метод народився як на вимоги промисловості. Це приклад методу, який розвивався під напором практичних завдань. Першими 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 вимагалося контролювати. Ще 1726 р. До. Ж. Жоффруа здійснив нейтралізацію кислот в аналітичних цілях. Оцтову кислоту нейтралізували карбонатом калію; індикатором, які свідчать про кінці такого «титрування», служило припинення виділення газа.

К 1750 р. в ролі титранта використовують розчин з відомою концентрацією, а індикатором служив фіалковий екстракт. Важливе прикладне значення мало використання титриметрии у процесі відбілювання тканин мови у Франції (Ф. Декруазиль та інших.); в 1795 р. було запропоновано метод визначення гипохлорита. Тут відпрацьованих устрою для титрування — піпетки, бюретки, мірні колби. Ж. Л. Гей-Люссак пізніше запропонував індиго як індикатор для окислительно-восстановительного титрування. Він ввів термін «титрование».

Гравиметрический (ваговій) аналіз докладно описаний в підручнику До. Р. Фрезеніус (1846, російський переклад 1848). Метод грунтувався на кількісному виділенні потрібного речовини в осад, висушуванні, прокаливании і зважуванні. Пізніше (1883) було запропоновано беззольные фільтри, фільтруючі тиглі Ф. Гуча (1878), органічні осадигели. Вже XX і. з’явилися осадження «з гомогенного розчину», термогравиметрия.

По суті, гравиметрическим був і елементний аналіз органічних речовин. Перші аналізи що така виконував А. Л. Лавуазьє; знайшла, наприклад, що у спирті співвідношення С: Н одно 3,6:1 (справжнє 4:1). Основну класичну схему аналізу на вуглець і водень розробив німецький хімік Ю. Лібіх у першій половині XIX в. Француз Ж. Б. Дюма запропонував (1831) метод визначення азоту, а тепер найбільше важить метод І. Кьельдаля (1883). Багато пізніше австрійський учений Ф. Прегль розробив способи микроанализа, які удостоївся Нобелівської премії (1923).

Из найбільш відомих книжок в XIX ст. відзначимо «Посібник із аналітичної хімії» Р. Розі (1829), «Посібник із якісному хімічним аналізом» До. Р. Фрезеніус (1841). У Росії її наприкінці ХГХ в. був набув значного поширення підручник «Аналітична хімія», написаний М. А. Меншуткиным, який 16 разів у тому однині і після революции.

Аналитические реагенти традиційно були неорганічними і органічними (екстракти дубильних горішків чи фіалок, щавлева кислота). У другій половині в XIX ст. число органічних сполук, що використовуються аналізу, збільшується. Запропоновано (1879) реактив Грисса на нитрит-ион (суміш a-нафтиламина і сульфаниловой кислоти дає з нитритом червоне забарвлення). М. А. Іллінський (1885) використовував 1-нитрозо-2-нафтол як реагенту на кобальт. Важливе значення мали роботи Л. А. Чугаева, застосував диметилглиоксим щоб виявити і визначення никеля.

Так звані інструментальні методи аналізу відомі теж давно — якщо вважати ваги аналітичним приладом. Першим спробував використовувати электрогравиметрию відносять до початку минулого століття, кількісні визначення (міді, нікелю, срібла) цим методом проводяться з 1864 г.

Важной віхою була розробка атомно-эмиссионного спектрального аналізу (Німеччина, 60-ті роки ХГХ в., фізик Р. Кірхгоф і хімік Р. Бунзен). Колориметрические, фотометрические методи походять ще до згадуваному спостереженню Бойля про залежності інтенсивності забарвлення від змісту металу. Істотне значення мало встановлення закону светопоглощения (П. Бугер, І. Ламберт, А. Бер, XVIII—XIX ст.). Російський мінералог У. М. Севергин межі XVIII і ХГХ століть проводив аналізи, які ми сьогодні назвали б колориметрическими. У 1846 р. описаний спосіб визначення міді по синьої забарвленні її комплексу з аміаком, а 1852 р. — метод визначення заліза з фарбування роданидного комплексу. Перший колориметр Дюбоска виник 1870 г.

В в самісінькому кінці ХГХ в. склалася теорія хімічних взаємодій, які у аналітичної хімії. Це заслуга німецького физико-химика У. Оствальда, опубликовавшего у 1894-му р. свою вельми відому книжку теоретичних засадах аналітичної хімії. У основу було покладено теорія електролітичної дисоціації і його вчення про хімічному рівновазі в розчинах з участю іонів. Такий аспект теорії був із тим, що до цього часу переважна місце у аналітичної хімії зайняли методи аналізу, у водних розчинах після перекладу речовин, у іонне стан. Ця теорія основу своєї збереглася б і досі, хоча коло його дії ограни юний хімічними методами аналізу, не які займають такого доми-ни >ующего становища, як у період Оствальда.

Век нинішній, новітній період історії аналітичної хімії, особливо багатий нововведеннями. Важливе значення мало відкриття хроматографії (російський ботанік і біохімік М. З. Колір, 1903) і наступне створення різних варіантів хроматографічного методу — процес, триває досі. А. Мартін і Р. Синдж за роботи з розподільній хроматографії удостоїлися нобелівських премій, А. Тизелиус — за дослідження з электрофорезу і «адсорбционному аналізу». Було запропоновано і розвинений метод полярографии, протягом якого чехословацький учений Я. Гейровский теж удостоївся премии.

Значительным доповненням до титриметрическим методам було розвиток з так званого комплексонометрического титрування — методу, заснованого на використанні (в ролі титранта) полиаминополикарбоновых кислот, названих «комплексонами». Власне, майже всі методи базувалися на застосуванні однієї кислоти — этилендиаминтетрауксусной. Внесок до цього напрям внесений передусім швейцарським хіміком Р. Шварценбахом, і навіть чехословацьким ученим Р. Пршибилом та інших. (30—50-е годы).

Появилось багато фізичних і хімічних методів аналізу — масс-спектрометрические, рентгенівські, ядерно-физические, нові варіанти електрохімічних методів, інтенсивно розвивалися фотометрические методи (особливо з допомогою органічних реагентів). Слід зазначити розробку й стала вельми поширеною атомно-абсорбционного методу (А. Волш, До. Алкемаде, Б. У. Львів, 50-ті годы).

О розвитку аналітичної хімії у Росії згадувалося раніше. Слід додати, кілька членів Петербургській академії наук активно займалися хімічним аналізом — М. У. Ломоносов (1711—1765), Т. Є. Ловиц (1757—1804), У. М. Севергин (1765—1826), Г. И. Гесс (1802—1850), Ф. Ф. Бейльштейн (1838—1906). У радянські часи аналітична хімія успішно допомагала вирішувати багато науково-технічних проблем державного значення (освоєння атомної енергії, напівпровідники та інших.). Відомі й великі наукові досягнення. М. А. Тананаев розробив крапельний метод якісного аналізу (очевидно, разом з австрійським, пізніше бразильським, аналітиком Ф. Файглем). Значний внесок радянські аналітики внесли в вивчення комплексоутворення і його використання в фотометрическом аналізі (І. П. Алимарин, А. До. Бабко, М. П. Комарь та інших.), для створення вивчення органічних аналітичних реагентів, розвиток електрохімічних методів аналізу. Б. У. Львів запропонував электротермический варіант атомно-абсорбционного методу — досягнення, визнане в усьому світі. Багато зроблено у розвитку хроматографії, екстракції та інших методів поділу. Серйозні позиції завойовані у сфері аналізу металів, геологічних об'єктів, речовин високої чистоти, у сфері автоматизації анализа.

Сегодняшний день аналітичної хімії характеризується багатьма змінами: розширюється арсенал методів аналізу, особливо у бік фізичних і біологічних; Автоматизація та математизація аналізу; створення прийомів і коштів локального, неруйнуючого, дистанційного, безперервного аналізу; підхід вирішення завдань про формах існування компонентів в аналізованих пробах; поява нових можливостей підвищення чутливості, точності й діють экспрессности аналізу; подальше розширення кола аналізованих об'єктів. Широко використовують тепер комп’ютери, багато роблять лазери, з’явилися лабораторні роботи; значно піднялася роль аналітичного контролю, особливо об'єктів навколишньої среды.

Возрос інтерес до методологічним проблемам аналітичної хімії. Як чітко визначити предмет цієї науки, яке займає вона у системі наукового знання, фундаментальна це наука чи прикладна, що стимулює її розвиток — ці та ці запитання були предметом багатьох дискуссий.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.