АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
наука о методах изучения состава вещества. Она состоит из двух
осн. разделов: качественного анализа и количественного анализа. Качественный
анализ - совокупность методов установления качественного хим. состава тел
- идентификации атомов, ионов, молекул, входящих в состав анализируемого
вещества. Важнейшими характеристиками каждого метода качественного анализа
являются: специфичность и чувствительность. Специфичность характеризует
возможность обнаружения искомого элемента в присутствии других элементов,
напр, железа в присутствии никеля, марганца, хрома, ванадия, кремния и
др.- Чувствительность определяет наименьшее количество элемента, к-рое
может быть обнаружено данным методом; чувствительность выражается для совр.
методов значениями порядка 1 мкг (одной миллионной доли грамма).
Количественный
анализ - совокупность методов определения количественного состава тел,
т. е. количественных соотношений, в к-рых находятся хим. элементы или отд.
соединения в анализируемом веществе. Важнейшей характеристикой каждого
метода количественного анализа является, наряду со специфичностью и чувствительностью,
точность. Точность анализа выражается значением относительной ошибки, к-рая
не должна в большинстве случаев превышать 1-2%. Чувствительность в количественном
анализе выражают в процентах.
Многие совр.
методы обладают весьма высокой чувствительностью. Так, методом радиоактивац.
анализа можно установить наличие меди в кремнии с точностью до 2-10-"%.
В силу нек-рых
специфич. особенностей в А. х. принято выделять анализ органич. веществ
(см. ниже).
Особое место
в А. х. занимает технический анализ, основывающийся на всей совокупности
методов качественного и количественного, неорганич. и органич. анализа
в приложении их к тому или иному конкретному объекту. Технич. анализ включает
аналитич. контроль процессов производства, сырья, готовой продукции, воды,
воздуха, отходящих газов и т. д. Особенно велика потребность в "экспрессных"
методах технич. анализа, требующих 5-15 мин для отдельного определения.
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 др., для испытания к-рых использовались вкус, запах, цвет
(эти методы испытания, называемые органолептическими, применяются и в совр.
пищ. пром-сти). Сырьё и продукты древней металлургии - руды, металлы и
сплавы, к-рые применяли для изготовления орудий производства (медь, бронза,
железо) или для украшения и товарообмена (золото, серебро), испытывались
по их плотности, механич. свойствам посредством пробных плавок. Совокупностью
подобных методов испытания благородных сплавов пользуются и до сих пор
в пробирном анализе. Определялась доброкачественность красителей, керамич.
изделий, мыла, кожи, тканей, стекла, лекарственных препаратов. В процессе
такого анализа стали различаться отд. металлы (золото, серебро, медь, олово,
железо), щёлочи, кислоты.
Методы А. х.
имели исключит, значение в установлении основных законов химии (см. Постоянства
состава закон, Кратных отношений закон), уточнении понятия о химич. элементе
и др.
В алхимический
период развития химии (см. Алхимия), характеризовавшийся развитием экспериментальных
работ, увеличилось число различаемых металлов, кислот, щелочей, возникло
понятие о соли, сере как горючем веществе и т. д. В этот же период были
изобретены многие приборы для хим. исследований, применено взвешивание
исследуемых и используемых веществ (14-16 вв.).
Главное же
значение алхим. периода для будущего А. х. заключалось в том, что были
открыты чисто хим. методы различения отд. веществ; так, в 13 в. было обнаружено,
что "крепкая водка" (азотная к-та) растворяет серебро, но не растворяет
золото, а "царская водка" (смесь азотной и соляной к-т) растворяет и золото.
Алхимики положили начало хим. определениям; до этого для различения веществ
пользовались их физ. свойствами.
В период иатрохимии
(16-17 вв.) ещё более увеличился уд. вес хим. методов исследования, особенно
методов "мокрого" качественного исследования веществ, переводимых в растворы:
так, серебро и соляная к-та распознавались по реакции образования ими осадка
в азотнокислой среде; пользовались реакциями с образованием окрашенных
продуктов, напр, железа с дубильными веществами.
Начало научному
подходу к хим. анализу положил англ, учёный Р. Бойль (17 в.), когда он,
отделив химию от алхимии и медицины и став на почву хим. атомизма, ввёл
понятие хим. элемента как неразложимой далее составной части различных
веществ. Согласно Бойлю, предметом химии является изучение этих элементов
и способов их соединения для образования хим. соединений и смесей. Разложение
веществ на элементы Бойль и назвал "анализом". Весь период алхимии и иатрохимии
был в значит, степени периодом синтетич. химии; были получены многие неорганич.
и нек-рые органич. соединения. Но т. к. синтез был тесно связан с анализом,
ведущим направлением развития химии в это время был именно анализ. Новые
вещества получались в процессе всё более утончённого разложения природных
продуктов.
Т. о., почти
до сер. 19 в. химия развивалась преим. как А. х.; усилия химиков были направлены
на разработку методов определения качественно различных начал (элементов),
на установление количественных законов их взаимодействия.
Большое значение
в хим. анализе имела дифференциация газов, считавшихся ранее одним веществом;
начало этим исследованиям было положено голл. учёным ван Гельмонтом (17
в.), открывшим углекислый газ. Наибольших успехов в этих исследованиях
достигли Дж. Пристли, К. В. Шееле, А. Л. Лавуазье (18 в.). Экспериментальная
химия получила твёрдую основу в установленном Лавуазье законе сохранения
массы веществ при хим. операциях (1789). Правда, ещё ранее этот закон в
более общей форме высказал М. В. Ломоносов (1758), а швед, учёный Т. А.
Бергман пользовался сохранением массы веществ для целей хим. анализа. Именно
Бергману принадлежит заслуга создания систематич. хода качественного анализа,
при к-ром переведённые в растворённое состояние исследуемые вещества затем
разделяются на группы с помощью реакций осаждения реагентами и далее дробятся
на ещё меньшие группы вплоть до возможности определения каждого элемента
в отдельности. В качестве основных групповых реактивов Бергман предложил
сероводород и щёлочи, к-рыми пользуются и до сих пор. Он также систематизировал
качественный анализ "сухим путём", посредством нагревания веществ, к-рое
приводит к образованию "перлов" и налётов различного цвета.
Дальнейшее
совершенствование систематич. качественного анализа было выполнено франц.
химиками Л. Вокленом и Л. Ж. Тенаром, нем. химиками Г, Розе и К. Р. Фрезениусом,
русским химиком Н. А. Меншуткиным. В 20-30-е гг. 20 в. сов. химик Н. А.
Тананаев, основываясь на значительно расширившемся наборе хим. реакций,
предложил дробный метод качественного анализа, при к-ром отпадает необходимость
систематич. хода анализа, разделения на группы и применения сероводорода.
Количеств,
анализ первоначально основывался на реакциях осаждения определяемых элементов
в виде малорастворимых соединений, массу к-рых далее взвешивали. Этот весовой
(или гравиметрический) метод анализа также значительно усовершенствовался
со времён Бергмана, гл. оор. за счёт улучшения весов и техники взвешивания
и использования различных реактивов, в частности органических, образующих
наименее растворимые соединения. В 1-й четв. 19 в. франц. учёный Ж. Л.
Гей-Люссак предложил объёмный метод количественного анализа (волюмометрический),
в котором вместо взвешивания измеряют объёмы растворов взаимодействующих
веществ. Этот метод, наз. также методом титрования или титриметрическим,
до сих пор является осн. методом количественного анализа. Он значительно
расширился как за счёт увеличения числа используемых в нём хим. реакций
(реакции осаждения, нейтрализации, комплексообразования, окисления-восстановления),
так и за счёт использования множества индикаторов (веществ, указывающих
изменениями своего цвета на окончание реакции между взаимодействующими
растворами) и др. средств индикации (посредством определения различных
физ. свойств растворов, напр, электропроводности или коэфф. преломления).
Анализ органич.
веществ, содержащих в качестве осн. элементов углерод и водород, посредством
сожжения и определения продуктов сгорания <- углекислого газа и воды
<-
впервые
был проведён Лавуазье. Далее он был улучшен Ж. Л. Гей-Люссаком и Л. Ж.
Тенаром и Ю. Либихом. В 1911 австр. химик Ф. Прегль разработал технику
микроанализа органич. соединений, для проведения к-poro достаточно нескольких
мг исходного вещества. Ввиду сложного построения молекул органич. веществ,
больших их размеров (полимеры), ярко выраженной изомерии органич. анализ
включает в себя не только элементный анализ <- определение относит,
количеств отд. элементов в молекуле, но и функциональный <-
определение
природы и количества отд. характерных атомных группировок в молекуле. Функциональный
анализ основан на характерных хим. реакциях и физ. свойствах изучаемых
соединений.
Почти до сер.
20 в. анализ органич. веществ, в силу своей специфичности, развивался своими,
отличными от неор-ганич. анализа путями и в учебных курсах не включался
в А. х. Анализ органич. веществ рассматривался как часть органич. химии.
Но затем, по мере возникновения новых, гл. обр. физ., методов анализа,
широкого применения органич. реактивов в неорганич. анализе обе .эти ветви
А. х. стали сближаться и ныне представляют единую общую науч. и учебную
дисциплину.
А. х. как наука
включает теорию хим. реакций и хим. свойств веществ и как таковая она в
первый период развития общей химии совпадала с ней. Однако во 2-й пол.
19 в., когда в хим. анализе доминирующее положение занял "мокрый метод",
т. е. анализ в растворах, гл. обр. водных, предметом А. х. стало изучение
только таких реакций, к-рые дают аналитически ценный характерный продукт
- нерастворимое или окрашенное соединение, возникающее в ходе быстрой реакции.
В 1894 нем. учёный В. Оствальд впервые изложил научные основы А. х. как
теорию хим. равновесия ионных реакций в водных растворах. Эта теория, дополненная
результатами всего последующего развития ионной теории, стала основой А.
х.
Работами рус.
химиков М. А. Ильинского и Л. А. Чугаева (кон. 19 в.- нач. 20 в.) было
положено начало применению органич. реактивов, характеризующихся большой
специфичностью и чувствительностью, в неорганич. анализе.
Исследования
показали, что для каждого неорганич. иона характерна хим. реакция с органич.
соединением, содержащим определённую функциональную группировку (т. н.
функционально-ана-литич. группу). Начиная с 20-х гг. 20 в. в хим. анализе
стала возрастать роль инструментальных методов, снова возвращавших анализ
к исследованию физ. свойств анализируемых веществ, но не тех макроскопич.
свойств, к-рыми оперировал анализ в период до создания научной химии, а
атомных и молекулярных свойств. Совр. А. х. широко пользуется атомными
и молекулярными спектрами излучения и поглощения (видимые, ультрафиолетовые,
инфракрасные, рентгеновские, радиочастотные и гамма-спектры), радиоактивностью
(естественная и искусственная), масс-спектромет-рией изотопов, электрохим.
свойствами ионов и молекул, адсорбц. свойствами и др. (см. Колориметрия,
Люминесценция, Микрохимический анализ, Нефелометрия, Активационный анализ,
Спектральный анализ, Фотометрия, Хрома-тография, Электронный парамагнитный
резонанс, Электрохимические методы анализа). 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;
они позволяют доводить чувствительность определения до 10
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я