Справочная

" - 1 2 4 b N O S А Б В Г Д Е Ж З И К Л м Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ , наука об определении хим. составав-в и, в нек-рой степени, хим. строения соединений. Аналитическая химия развивает общиетеоретич. основы хим. анализа, разрабатывает методы определения компонентовизучаемого образца, решает задачи анализа конкретных объектов.

Осн. цель аналитической химии — обеспечить в зависимости от поставленной задачи точность,высокую чувствительность, экспрессность и (или) избирательность анализа.Разрабатываются методы, позволяющие анализировать микрообъекты (см. Микрохимическийанализ), проводить локальный анализ (в точке, на пов-сти и т.д.),анализ без разрушения образца (см. Неразрушающий анализ), на расстоянииот него (дистанционный анализ), непрерывный анализ (напр., в потоке), атакже устанавливать, в виде какого хим. соед. и в составе какой фазы существуетв образце определяемый компонент (фазовый анализ). Важные тенденцииразвития аналитической химии-автоматизация анализов, особенно при контроле технол. процессов(см. Автоматизированный анализ), и математизация, в частности широкоеиспользование ЭВМ.

Структура. Можно выделить три крупных направления аналитической химии: общие теоретич.основы; разработка методов анализа; аналитическая химия отдельных объектов. В зависимостиот цели анализа различают качественный анализ и количественныйанализ. Задача первого — обнаружение и идентификация компонентов анализируемогообразца, второго — определение их концентраций или масс. В зависимостиот того, какие именно компоненты нужно обнаружить или определить, различаютизотопный анализ, элементный анализ, структурно-групповой (в т.ч. функциональный анализ), молекулярный анализ, фазовый анализ.По природе анализируемого объекта различают анализ неорг. и орг. веществ.

В теоретич. основах аналитической химии существенное место занимает метрологияхимического анализа, в т. ч. статистич. обработка результатов. Теорияаналитической химии включает также учение об отборе и подготовке аналитических проб,о составлении схемы анализа и выборе методов, принципах и путях автоматизациианализа, применения ЭВМ, а также основы народнохозяйств. использованиярезультатов хим. анализа. Особенность аналитической химии — изучение не общих, а индивидуальных,специфич. св-в и характеристик объектов, что обеспечивает избирательностьмн. аналит. методов. Благодаря тесным связям с достижениями физики, математики,биологии и разл. областей техники (это особенно касается методов анализа)аналитическая химия превращ. в дисциплину на стыке наук.

В аналитической химии различают методы разделения, определения (обнаружения) и гибридные,сочетающие методы первых двух групп. Методы определения подразделяют нахимические методы анализа (гравиметрич. анализ, титриметрия), физико-химическиеметоды анализа (напр., электрохим., фотометрич., кинетич.), физическиеметоды анализа (спектральные, ядерно-физ. и др.) и биологическиеметоды анализа. Иногда методы определения делят на химические, основанныена хим. р-циях, физические, базирующиеся на физ. явлениях, и биологические,использующие отклик организмов на изменения в окружающей среде.

Практически все методы определения основаны на зависимости к.-л. доступныхизмерению свойств в-в от их состава. Поэтому важное направление аналитической химии -отыскание и изучение таких зависимостей с целью использования их для решенияаналит. задач. При этом почти всегда необходимо найти ур-ние связи междусв-вом и составом, разработать способы регистрации св-ва (аналит. сигнала),устранить помехи со стороны др. компонентов, исключить мешающее влияниеразл. факторов (напр., флуктуации т-ры). Величину аналит. сигнала переводятв единицы, характеризующие кол-во или концентрацию компонентов. Измеряемымисвойствами могут быть, например, масса, объем, светопоглощение.

Большое внимание уделяется теории методов анализа. Теория хим. и частичнофиз.-хим. методов базируется на представлениях о нескольких осн. типаххим. р-ций, 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 практич. значимостью соответствующих методов. Поскольку, однако, доляхим. методов уменьшается, а доля физ.-хим. и физ. методов растет, большоезначение приобретает совершенствование теории методов двух последних группи 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,разл. изделия -для определения содержания в них Аи и Ag. Алхимики 14-16вв. впервые применили взвешивание и выполнили огромный объем эксперим.работ по изучению св-в в-в, положив начало хим. методам анализа. В 16-17вв. (период ятрохимии) появились новые хим. способы обнаружения в-в, основанныена р-циях в р-ре (напр., открытие ионов Ag+ по образованию осадкас ионами Cl-). Родоначальником научной аналитической химии считают Р. Бойля,к-рый ввел понятие "хим. анализ".

До 1-й пол. 19 в. аналитическая химия была осн. разделом химии. В этот период былиоткрыты мн. хим. элементы, выделены составные части нек-рых прир. в-в,установлены законы постоянства состава и кратных отношений, закон сохранениямассы. Т. Бергман разработал схему систематич. анализа, ввел H2Sкак аналит. реагент, предложил методы анализа в пламени с получением перлови т.д. В 19 в. систематич. качеств. анализ усовершенствовали Г. Розе иК. Фрезениус. Этот же век ознаменовался огромными успехами в развитии количеств.анализа. Был создан титриметрич. метод (Ф. Декруазиль, Ж. Гей-Люссак),значительно усовершенствован гравиметрич. анализ, разработаны методы анализагазов. Большое значение имело развитие методов элементного анализа орг.соединений (Ю. Либих). В кон. 19 в. сложилась теория аналитической химии, в основу к-ройбыло положено учение о хим. равновесии в р-рах с участием ионов (гл. обр.В. Оствальд). К этому времени преобладающее место в аналитической химии заняли методыанализа ионов в водных р-рах.

В 20 в. разработаны методы микроанализа орг. соединений (Ф. Прегль).Был предложен полярографич. метод (Я. Гейровский, 1922). Пoявилocь многофиз.-хим. и физ. методов, напр. масс-спектрометрический, рентгеновский,ядерно-физические. Большое значение имело открытие хроматографии (М.С.Цвет, 1903) и создание затем разных его вариантов, в частности распределит.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, иособенно Л.А. Чугаев ввели в практику орг. аналит. реагенты (кон. 19-нач.20 вв.), Н.А. Тананаев разработал капельный метод качеств. анализа (одновременнос Ф. Файглем, 20-е гг. 20 в.). В 1938 Н. А. Измайлов и М.С Шрайбер впервыеописали тонкослойную хроматографию. В 1940-е гг. были предложены плазменныеисточники для атомно-эмиссионного анализа. Большой вклад советские ученыевнесли в изучение комплексообразования и его аналит. использования (И.П.Алимарин, А.К. БабкоХ в теорию действия орг. аналит. реагентов, в развитиеметодов фотометрич. анализа, атомно-абсорбц. спектроскопии, в аналитической химии отдельныхэлементов, особенно редких и платиновых, и ряда объектов — в-в высокойчистоты, минер. сырья, металлов и сплавов.

Требования практики всегда стимулировали развитие аналитической химии. Так, в 40-70-хгг. 20 в. в связи с необходимостью анализа ядерных, полупроводниковых идр. материалов высокой чистоты были созданы такие чувствительные методы,как радиоактивационный анализ, искровая масс-спектроме-трия, химико-спектральныйанализ, _вольтамперометрия, обеспечивающие определение до 10-7-10-8% примесей в чистых в-вах, т.е. 1 часть примеси на 10-1000млрд. частей осн. в-ва. Для развития черной металлургии, особенно в связис переходом к скоростному конвертерному произ-ву стали, решающее значениеприобрела экспрессность анализа. Использование т. наз. квантометров-фотоэлектрич.приборов для многоэлементного оптич. спектрального или рентгеновского анализапозволяет проводить анализ в ходе плавки за неск. минут.

Необходимость анализа сложных смесей орг. соединений обусловила интенсивноеразвитие газовой хроматографии, к-рая позволяет анализировать сложнейшиесмеси, содержащие неск. десятков и даже сотен веществ. Аналитическая химия в значит.мере способствовала овладению энергией атомного ядра, изучению космосаи океана, развитию электроники, прогрессу биол. наук.

Предмет исследования. Важную роль играет развитие теории отбора пробанализируемых материалов; обычно вопросы пробоотбора решаются совместносо специалистами по изучаемым в-вам (напр., с геологами, металловедами).Аналитическая химия разрабатывает способы разложения проб — растворение, сплавление, спеканиеи т.д., к-рые должны обеспечивать полное "вскрытие" образца и не допускатьпотерь определяемых компонентов и загрязнений извне. В задачи аналитической химии входитразвитие техники таких общих операций анализа, как измерение объемов, фильтрование,прокаливание.

Одна из задач аналитической химии-определение направлений развития аналит. приборостроения,создание новых схем и конструкций приборов (что чаще всего служит завершающейстадией разработки метода анализа), а также синтез новых аналит. реактивов.

Для количеств. анализа очень важны метрологич. характеристики методови приборов. В связи с этим аналитическая химия изучает проблемы градуировки, изготовленияи использования образцов сравнения (в т.ч. стандартных образцов) и др.ср-в обеспечения правильности анализа. Существ. место занимает обработкарезультатов анализа, в т. ч. с использованием ЭВМ. Для оптимизации условийанализа используют теорию информации, мат. теорию полезности, теорию распознаванияобразов и др. разделы математики. ЭВМ применяются не только для обработкирезультатов, но и для управления приборами, учета помех, градуировки, планированияэксперимента; существуют аналит. задачи, решаемые только с помощью ЭВМ,напр. идентификации молекул орг. соединений с использованием теории искусств.интеллекта (см. Автоматизированный анализ).

Аналитическая химия определяет общий подход к выбору путей и методов анализа. Разрабатываютсяспособы сопоставления методов, условия их взаимозаменяемости и сочетания,принципы и пути автоматизации анализа. Для практич. использования анализанеобходима разработка представлений о его результате как показателе кач-вапродукции, учение об экспрессном контроле технол. процессов, создание экономичныхметодов. Большое значение для аналитиков, работающих в разл. отраслях народногохозяйства, имеет унификация и стандартизация методов. Разрабатывается теорияоптимизации кол-ва информации, необходимой для решения аналит. задачи.

Методы анализа. В зависимости от массы или объема анализируемогообразца методы разделения и определения иногда подразделяют на макро-,микро- и ультрамикрометоды.

К разделению смесей обычно прибегают в тех случаях, когда методы прямогоопределения или обнаружения не позволяют получить правильный результатиз-за мешающего влияния др. компонентов образца. Особенно важно т. наз.относит. концентрирование — отделение малых кол-в определяемых компонентовот значительно больших кол-в основных компонентов пробы. Разделение смесейможет базироваться на различии в термодинамич., или равновесных, характеристикахкомпонентов (константы обмена ионов, константы устойчивости комплексов)или кинетич. параметров. Для разделения применяют гл. обр. хроматографию,экстракцию, осаждение, дистилляцию, а также электрохим. методы, напр. электроосаждение.

Методы определения-осн. группа методов аналитической химии. В основе методов количеств.анализа лежит зависимость к.-л. измеримого св-ва, чаще всего физического,от состава образца. Эта зависимость должна описываться определенным и известнымобразом.

Быстро развиваются гибридные методы анализа, объединяющие разделениеи определение. Напр., газовая хроматография с разл. детекторами — важнейшийметод анализа сложных смесей орг. соединений. Для анализа труднолетучихи термически нестойких соед. более удобна высокоэффективная жидкостнаяхроматография.

Для анализа необходимы разнообразные методы, поскольку каждый из нихимеет свои достоинства и ограничения. Так, чрезвычайно чувствит. радиоактивационныеи масс-спектральные методы требуют сложной и дорогостоящей аппаратуры.Простые, доступные и очень чувствит. кинетич. методы не всегда обеспечиваютнужную воспроизводимость результатов. При оценке и сопоставлении методов,при выборе их для решения конкретных задач принимаются во внимание мн.факторы: метрологич. параметры, сфера возможного использования, наличиеаппаратуры, квалификация аналитика, традиции и др. Важнейшие среди этихфакторов — такие метрологич. параметры, как предел обнаружения или диапазонконцентраций (кол-в), в к-ром метод дает надежные результаты, и точностьметода, т.е. правильность и воспроизводимость результатов. В ряде случаевбольшое значение имеют "многокомпонентные" методы, позволяющие определятьсразу большое число компонентов, напр. атомно-эмиссионный и рентгеновскийспектральный анализ, хроматография. Роль таких методов возрастает. Припрочих равных условиях предпочитают методы прямого анализа, т.е. не связанногос хим. подготовкой пробы, однако иногда такая подготовка необходима. Напр.,предварит. концентрирование исследуемого компонента позволяет определятьменьшие его концентрации, устранять трудности, связанные с негомог. распределениемкомпонента в пробе и отсутствием образцов сравнения.

Особое место занимают методы локального анализа. Существ. роль срединих играют рентгеноспектральный микроанализ (электронный зонд), масс-спектрометриявторичных ионов, спектроскопия оже-электронов и др. физ. методы. Они имеютбольшое значение, в частности, при анализе поверхностных слоев твердыхматериалов или включений в горных породах.

Специфич. группу составляют методы элементного анализа орг. соединений.Обычно орг. в-во тем или иным способом разлагают, а его компоненты в видепростейших неорг. соед. (СО2, Н2О, NH3и др.) определяют обычными методами. Применение газовой хроматографии позволилоавтоматизировать элементный анализ; для этого выпускаются С-, Н-, N-анализаторыи др. приборы-автоматы. Анализ орг. соединений по функц. группам (функциональныйанализ) выполняется разл. хим., электрохим., спектральными (ЯМР-, ИК-спектроскопия)или хроматографич. методами.

При фазовом анализе, т.е. определении хим. соед., образующих отдельныефазы, последние предварительно выделяют, напр., с помощью избирательногор-рителя, а затем полученные р-ры анализируют обычными методами; весьмаперспективны физ. методы фазового анализа без предварит. разделения фаз.

Практическое значение. Хим. анализ обеспечивает контроль мн.технол. процессов и кач-ва продукции во мн. отраслях пром-сти, играет огромнуюроль при поиске и разведке полезных ископаемых в горнодобывающей пром-сти(см. Геохимические методы поисков полезных ископаемых). С помощьюхим. анализа контролируется чистота окружающей среды (воды и воздуха).Достижения аналитической химии используют в разл. отраслях науки и техники: атомной энергетике,электронике, океанологии, биологии, медицине, криминалистике, археологии,космич. исследованиях.

Велико народнохозяйств. значение хим. анализа. Так, точное определениелегирующих добавок в металлургии позволяет экономить ценные металлы. Переходна непрерывный автоматич. анализ в мед. и агрохим. лабораториях дает возможностьрезко увеличить скорость анализов (крови, мочи, вытяжек из почв и т.д.)и уменьшить численность сотрудников лабораторий.


===
Исп. литература для статьи «АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»: 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; ФритцДж. С., Шенк Г. X., Количественный анализ, пер. с англ, М, 1978; ПетереД., Хайес Дж., Хифтье Г., Химическое разделение и измерение, пер. с англ.,кн. 1-2, М., 1978; Скуг Д., Уэст Д., Основы аналитической химии, пер. сангл., т. 1-2, М., 1979. Ю. А. Золотое.

Страница «АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.