Аналитическая химия

Наука
Аналитическая химия
Анализ химический
Основные направления	химия

Аналитическая химия — наука о методах изучения состава вещества, а также раздел химии, разрабатывающий теоретические основы и методы определения качественного и количественного состава веществ и их смесей.

История

Ещё в древности были известны отдельные приемы химического анализа — выпаривание, фильтрование и кристаллизация. Определение пригодности того или иного продукта для нужд человека имеет столь же древнюю историю, как и само его производство. Первоначально такое определение имело целью установление причин несоответствия получаемых свойств продуктов желаемым или необходимым. Это относилось к продуктам питания — таким, как хлеб, пиво, вино и другими, для испытания которых использовались вкус, запах, цвет под общим названием органолептика. Сырьё и продукты древней металлургии — руды, металлы и сплавы из меди, бронзы и железа которые применяли для изготовления орудий производства или для украшения и товарообмена (золото, серебро), испытывались по их плотности, механическим свойствам посредством пробных плавок. Совокупностью подобных методов испытания благородных сплавов пользуются и до сих пор в пробирном анализе. Определялась доброкачественность красителей, керамики, мыла, кожи, тканей, стекла, лекарств. В процессе такого анализа стали различаться отдельные металлы, щёлочи и кислоты. Методы Аналитической химии имели исключительное значение в установлении основных законов химии уточнении понятия о химическом элементе.

В алхимический период развития химии, характеризовавшийся развитием экспериментальных работ, увеличилось число различаемых металлов, кислот, щелочей, возникло понятие о соли, сере как горючем веществе. В период XIV—XVI веке были изобретены многие приборы для химических исследований, применено взвешивание исследуемых и используемых веществ. Главное же значение алхимического периода для будущего Аналитической химии заключалось в том, что были открыты чисто химические методы различения отдельных веществ. Так, в XIII веке было обнаружено, что азотная кислота растворяет серебро, но не растворяет золото, а смесь азотной и соляной кислот растворяет и золото. Алхимики положили начало химическим определениям. До этого для различения веществ пользовались их физическими свойствами. В XVI—XVII веке в период иатрохимии ещё более увеличился удельный вес химических методов исследования, особенно методов «мокрого» качественного исследования веществ, переводимых в растворы: так, серебро и соляная кислота распознавались по реакции образования ими осадка в азотнокислой среде, пользовались реакциями с образованием окрашенных продуктов, например железа с дубильными веществами. В конце XVII века Роберт Бойль сформулировал задачу химии как познание состава веществ с помощью химического анализа и разложения всех веществ на составляющие их элементы. Бойль описал проведение анализов «мокрым путем», то есть в растворах для неорганических веществ. Он же предложил первый индикатор — настой лепестков фиалки, краснеющий от кислот и синеющий от щелочей.

В середине XVIII веке Михаил Ломоносов описал многие из применяемых методов и приёмов химического анализа, предложил использовать весы для количественного анализа, а также микроскоп для целей химического анализа. Позднее в 1794 году русский ученый Товий Ловиц разработал метод микрокристаллоскопии. В 1795 году русский учёный Василий Севергин опубликовал «Руководство к испытанию минеральных вод», в 1800 году — книгу «Способ испытывать чистоту и неподложность химических произведений лекарственных», а в 1801 году — труд «Пробирное искусство или руководство к химическим испытаниям металлических руд и других ископаемых». Эти руководства способствовали дальнейшему развитию аналитической химии в России. Классическими работами шведского ученого Беарцелиуса и французского ученого Гей-Люссака были заложены основы современной аналитической химии — качественный и количественный анализ, а работами немецкого учёного Либиха — элементный анализ органических соединений. Русский химик Карл Клаус опубликовал в 1862 году «Методические таблицы реакций, применяемых при химико-аналитических исследованиях», которые содержали описание аналитической классификации групповых и специфических реакций и систематический ход анализа.

Вторая половина XIX века характеризуется развитием физических и физико-химических методов анализа: открытием спектрального анализа, создание Дмитрием Менделеевым физико-химических методов анализа. В 1871 году Николай Меншуткин опубликовал классическое руководство «Аналитическая химия», выдержавшее много изданий как в России, так и за границей и послужившее образцом научного изложения аналитической химии неорганических соединений. На развитие аналитической химии большое влияние оказали открытие периодического закона Менделеевым и теории электролитической диссоциации шведским физикохимиком Аррениусом . Русский ученый Николай Курнаков, продолжая работы Менделеева, развил методы физико-химического анализа. Немецкий химик Оствальд показал, что в анализе неорганических веществ наибольшее значение имеют ионные реакции; им же впервые для теоретического обоснования методов аналитической химии были широко использованы учение о химическом равновесии, теория электролитической диссоциации и учение об окислительно-восстановительных реакциях. В 1903 году русский биохимик Михаил Цвет разработал хроматографический анализ. Химики-органики Михаил Ильинский и Лев Чугаев предложили органические реагенты для анализа неорганических соединений. Химики-аналитики Николай Тананаев и Файгль Фриц разработали методы капельного дробного анализа. Новое развитие получили методы микрокристаллоскопического анализа, а также полумикроанализ, микроанализ и ультрамикроанализ.

Начиная с 20-х годов XX века в химическом анализе стала возрастать роль инструментальных методов, снова возвращавших анализ к исследованию физических свойств анализируемых веществ, но не тех макроскопических свойств, которыми оперировал анализ в период до создания научной химии, а атомных и молекулярных свойств. Современная Аналитическая химия широко пользуется атомными и молекулярными спектрами излучения и поглощения, радиоактивностью, масс-спектрометрией изотопов, электрохимическими свойствами ионов и молекул, адсорбционными свойствами. Применение методов анализа, основанных на этих свойствах, одинаково успешно в неорганическом и органическом анализе. Эти методы значительно углубляют возможности расшифровки состава и структуры химических соединений, качественного и количественного их определения

Структура и функции

Аналитическая химия подразделяется на качественный и количественный анализ.

Качественный анализ изучает и применяет методы определения качественного химического состава исследуемого объекта, устанавливает, из каких соединений, химических элементов, ионов или радикалов состоит данное вещество. Анализируемый образец вначале переводят в раствор и затем обычно применяют или разделение смеси различных ионов на аналитические группы катионов и анионов по ходу систематического анализа, или дробные методы анализа, позволяющие открывать каждый ион в присутствии других ионов без предварительного разделения их на группы. Химические методы анализа индивидуальных веществ или их смесей основаны на превращении анализируемого вещества в соединение, обладающее такими характерными свойствами, которые позволяют легко идентифицировать, а затем и количественно определять его. Например, железо легко открыть в виде берлинской лазури или красного роданида железа, аммиак в солях аммония — по резкому запаху, действуя на них щелочью, или по красно-бурой окраске с реактивом Несслера, после чего их можно количественно определить, колориметрически. В качественном анализе используют микрокристаллоскопию, хроматографию, характерное окрашивание пламени газовой или спиртовой горелки, образование ярко окрашенных растворов или осадков, выделение газов, в том числе таких как: водород, окислов азота, аммиак, кислород, диоксид углерода, циан, двуокись серы, сероводород, арсин. Качественный систематический анализ проводят или сероводородным, или кислотно-щелочным методом, осаждая отдельные группы катионов металлов групповыми реактивами: сероводородом или его солями, карбонатами, соляной и серной кислотами, гидроокисями натрия и аммония. Полученные в виде малорастворимых осадков групп катионов затем систематически подразделяют на все меньшие подгруппы и наконец открывают с помощью характерных реакций отдельные катионы. Анионы подразделяют на группы, осаждая их нитратом или ацетатом серебра и бария, или чаще дробным методом анализа, например методом капельной осадочной хроматографии на бумаге. Дробным методом можно открыть и любой катион. В качественном органическом анализе применяют различные групповые реакции, позволяющие установить принадлежность анализируемого вещества к определённому классу органических соединений. Такими реакциями можно установить, является ли вещество спиртом, фенолом, амином или кислотой.

Количественный анализ изучает и применяет методы определения количественного состава исследуемого образца, то есть устанавливает, в каких количествах в нём содержатся те или иные соединения, химические элементы, ионы или радикалы. Для количественного разделения соединений, образующих смесь неорганических веществ, применяют обычно разделения химическими методами, как, например, фракционное осаждение, основанное на различной растворимости веществ, разделение гидроокисей при различных значениях pH, разделение путем образования комплексных ионов, окисления или восстановления одного из компонентов смеси, осаждения органическими реагентами. Применяют разделения физическими методами: дистилляцией, или отгонкой, возгонкой, или сублимацией, экстрагированием, хроматографией. Современные методы количественного анализа основаны главным образом на измерении различных физических свойств вещества: массы, объёма, плотности, светопоглощения, в том числе спектрофотометрии, фотометрии, флюоресценции и люминесценции, показателя преломления, в том числе рефрактометрии, вращения плоскости поляризации света — поляриметрии, величины тока — амперометрическое титрование, полярография, электродного потенциала — потенциометрическое титрование, электропроводности — кондуктометрия, естественной и искусственной радиоактивности — активационный анализ, масс-спектров изотопов, электронного парамагнитного резонанса, ядерного магнитного резонанса и других свойств. Между количеством химического элемента, его концентрацией и измеряемой физической величиной в каждом из этих методов анализа существует определённая зависимость, которая и позволяет проводить количественное определение данного элемента или соединения. Количественный химический анализ подразделяется на гравиметрический (весовой) и титриметрический (объемный). К количественному анализу относятся также газовый анализ и элементорганический анализ. В количественном анализе все больше применяют физико-химические инструментальные методы.

Особое место в Аналитической химии занимает основывающийся на всей совокупности методов качественного и количественного, неорганического и органического анализа в приложении их к тому или иному конкретному объекту. Технический анализ включает аналитический контроль процессов производства, сырья, готовой продукции, воды, воздуха, отходящих газов. Особенно велика потребность в «экспрессных» методах технического анализа, требующих 5—15 минут для отдельного определения.

Литература

• Анализ химический // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Аналитическая химия // Большая советская энциклопедия / Глав. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — Москва : Сов. энциклопедия, Т. 1: А-Ангоб. — 1969. — 608 с.
• Аналитическая химия // Большая медицинская энциклопедия / гл. ред. акад. Б. В. Петровский; [Акад. мед. наук СССР]. — 3-е изд. — Москва : Сов. энциклопедия, Т. 1: А — Антибиоз. — 1974. — 576 с.
• Справочник по аналитической химии. — 4-е изд., перераб. и доп. — Москва : Химия, 1971. — 454 с.
• Аналитическая химия: Для фармацевтич. ин-тов / Ф. М. Шемякин, А. Н. Карпов, А. Н. Брусенцов. — Москва : Медгиз, 1957—1960. — 2 т.