Аналитическая химия – это наука, развивающая общую методологию, принципы, методы и средства измерения, способы определения химического состава вещества и разрабатывающая способы анализа вещества различных материальных объектов.
Как и другие науки, аналитическая химия и отдельные её разделы возникали или развивались особенно успешно в те периоды, когда та или иная практическая потребность вызывала необходимость быстрого развития какой-либо отрасли промышленности, а для этого развития требовалось знание о химическом составе веществ или материалов. Например, исторически аналитическая химия развивалась параллельно с геологией, позволяя решать её научные и практические задачи.
На современном этапе развития аналитическая химия – это междисциплинарная наука, со своими предметом и методами исследования, основанная на теоретических и практических достижениях таких разделов научного знания как
· метрология, наука об измерениях (принципы, методы, средства измерения, способы определения химического состава веществ, способы обработки аналитических сигналов и результатов химического анализа);
· неорганическая, органическая и физическая химия, физика (принципы, методы, средства измерения и способы определения химического состава веществ);
· материаловедение, электроника, измерительная техника (средства измерения химического состава веществ);
· биология и генная инженерия (принципы, методы, средства измерения и способы определения химического состава веществ);
· математика, информатика (способы обработки аналитических сигналов и результатов химического анализа).
В настоящее время аналитическая химия включает в себя множество разнообразных методов и методик, использующих различные химические, физические и биологические явления, с помощью которых можно получить информацию о качественном и количественном химическом составе вещества материальных объектов.
|
|
Все методы химического анализа основаны на регистрации тех химических или физических свойств определяемых компонентов (качественный анализ) и измерении интенсивности этих свойств (количественный анализ), которые связаны определенной зависимостью с химической природой определяемых компонентов и с их содержанием в анализируемом веществе объекта анализа.
В химических методах количественного анализа в качестве таких свойств используются химические свойства соединений, проявляющиеся при химическом взаимодействии, подчиняющемся определённым химическим законам. На основании этих законов, измеряя количество частиц вещества сравнения, затраченного на реакцию с определяемым компонентом, или образующегося в результате реакции с определяемым компонентом, рассчитывают содержание искомого компонента в пробе анализируемого вещества.
Почти до середины ХХ в. в аналитических лабораториях использовали в основном химические методы количественного анализа – гравиметрию и титриметрию, характеризующихся достаточно высокой точностью и не требующих сложных средств измерения. Этими методами выполнялось большинство анализов в химической, горнодобывающей, металлургической, фармацевтической, пищевой, текстильной промышленности, в строительстве, сельском хозяйстве. В настоящее время методы гравиметрии и титриметрии применяют в тех случаях, когда стоит задача определения одного компонента при его содержании более 0.1 % в пробе анализируемого вещества, важна низкая стоимость анализа, а его длительность не имеет существенного значения. Например, в геологии химические методы применяют для установления химического состава стандартных образцов состава вещества минерального сырья, а также при установлении химического состава неизвестных минералов и горных пород.
|
|
Измерение различных физических и физико-химических свойств определяемых компонентов в веществе объекта анализа лежит в основе физических методов анализа. Эти методы стали развиваться бурными темпами с середины ХХ в., обеспечивая развитие атомной энергетики, ракетостроения, электроники, исследование космоса, для которых потребовалось создание для новой техники новых веществ и материалов, в том числе высокочистых, что невозможно без анализа их химического состава. С развитием новой техники возникла необходимость снизить предел определения примесных компонентов в пробах анализируемых высокочистых веществдо 10-5 – 10-10 %, так как при более высоком уровне загрязняющих примесей конструкционные и другие материалы нельзя было использовать в соответствующих областях промышленности, так как при этом уровне содержания примесей существенно менялись свойства металлов и других материалов. Хрупкие металлы становились пластичными, изменялись механическая прочность, электрическая проводимость и другие свойства. Определение столь малых содержаний гравиметрическим или титриметрическим методами невозможно, и эта задача была решена с помощью физических методов анализа.
|
|
Современные физические методы, такие как оптические, ядерно-физические, рентгеновские, масс-спектрометрические, хроматографические, электрохимические отличаются низкими пределами обнаружения и определения, возможностью определения компонентов в широком диапазоне их содержания в веществе объекта анализа различной природы и различного происхождения, возможностью определения большого числа компонентов из одной навески, часто малой и ультрамалой массы, и экспрессностью. Важнейшими особенностями некоторых физических методов являются также возможность проводить анализ без разрушения пробы анализируемого вещества и на расстоянии. Средства измерений физических свойств позволяют получать данные о химическом составе вещества анализируемых объектов в виде электрических сигналов, воспринимаемых электронно-вычислительными устройствами, что позволяет автоматизировать процедуры измерения, обработки измерительной информации и вычислений.
Теория аналитической химии включает учение:
· о новых принципах и методах химического анализа;
· о схемах анализа;
· об отборе рабочих и подготовке аналитических проб к измерению аналитического сигнала;
· о подготовке проб анализируемого вещества к измерению аналитичекого сигнала;
· о принципах и путях автоматизации химического анализа и применения ЭВМ;
· о критериях выбора методов анализа;
· об основах использования результатов химического анализа.
В теоретических основах аналитической химии существенное место занимает метрология химического анализа, позволяющая оценить достоверность результатов химического анализа путём проверки прецизионности (повторяемости и воспроизводимости) и правильности полученных результатов.
В области аналитической химии выделяют три крупных направления исследований:
1. Общие теоретические основы принципов, методов, средств и способов определения химического состава веществ;
2. Разработка методов химического анализа. Например, в ТПУ на кафедре физической и аналитической химии разработан в 60-е – 80-е годы 20-го века метод инверсионной вольтамперометрии для определения ионов металлов и некоторых органических соединений в пробах вещества объектов микроэлектроники, пищевых продуктов, биологических материалов, вод различного происхождения;
3. Аналитическая химия отдельных элементов (например, аналитическая химия вольфрама) и объектов (например, аналитическая химия атмосферы).
Аналитическая химия является научной основой химического анализа. Конечная практическая цель аналитической химии как науки теоретически обосновать и разработать схемы химического анализа вещества различных объектов, позволяющие получать достоверные результаты об его химическом составе. Схема химического анализа конкретного вещества оформляется документально в виде методики химического анализа. Использование методик химического анализа позволяет определить, из каких компонентов (элементов, изотопов, ионов, молекул) состоит вещество объекта анализа, как они связаны между собой, а в некоторых случаях становится возможным и установление пространственного расположения компонентов по поверхности или объёму пробы анализируемого вещества.
Аналитическая химия имеет огромное научное значение, представляя совокупность методов исследования и методик анализа химического состава веществ различного происхождения. Она является теоретической базой научных и прикладных достижений в развитии химических наук и в смежных с химией областях науки, таких как геология, экология, физиология, микробиология, агрохимия, фармацевтическая химия и других, когда необходимо знание о химическом составе веществ и материалов.
| 2 ЦЕЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ В ЭКОЛОГИИ |
| Химический анализ проводится на всех предприятиях, производящих продукцию, представляющую из себя вещество или материал. Это горно-, газо-, нефтедобывающие и перерабатывающие предприятия, это предприятия по производству металлургической, нефтехимической, химической, фармацевтической, пищевой продукции, строительных материалов. Это производства агропромышленного комплекса – животноводство, зерноводство, овощеводство и т.д. Используя методики химического анализа, на этих предприятиях осуществляют входной, технологический, выходной, арбитражный и экологический контроль химического состава вещества. Химический анализ необходим в медицинской диагностике, санитарной гигиене, биотехнологии, криминалистике, экологии. Борьба с терроризмом, наркобизнесом, обманом в спортивных достижениях также не обходятся без использования данных химического анализа. В геологии геохимические методы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых основаны на использовании результатов химического анализа проб вещества, отобранными геологами в полевых условиях. Каждая отрасль имеет свою специфику при постановке и решении аналитических задач. Эта специфика отражается в том, что химический анализ проб вещества конкретных объектов анализа проводят в аналитических лабораториях, обеспечивающих конкретные виды анализа ограниченного перечня объектов с использованием арсенала методов, рекомендуемых аналитической химией. |
| В экологии результаты химического анализапроб вещества природных объектов используются для оценки техногенного загрязнения природной среды. Без результатов химического анализа не могут быть разработаны способы и средства очистки отходов различных производств перед их сбросом и выбросом в природные среды. Экологический контроль и мониторинг состояния окружающей природной среды основан на данных химического анализа состава атмосферного воздуха, поверхностных вод, почвы. |
| 3 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ И АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВ |
| Объект химического анализа – это может быть партия минерального (руда) и вторичного (металлолом) сырья, партия химического продукта (метанол, полиэтилен, серная кислота), партия металлургического продукта (выплавленная сталь, медь), партия пищевого продукта (сок, хлеб), партия материала (полиэтиленовая плёнка, кремниевая пластина, жесть), партия продукта бытовой химии (шампунь, стиральный порошок), природная, сточная, технологическая или питьевая вода, атмосферный воздух, воздух рабочей зоны, изделие из ювелирного сплава, товарная нефть из резервуара, листья или корни растения, зерно, кровь человека и т.д. и т.п. Любой объект химического анализа представляет собой вещество. |
| Вещество объекта химического анализа в макромасштабе, то есть в реальном материальном мире, – это смесь макроколичества химических частиц – атомов и химических соединений, связанных межмолекулярными связями химической или физической природы (вещество в твёрдом и жидком агрегатном состоянии) или механически (вещество в газообразном агрегатном состоянии). В микромасштабе, на атомно-молекулярном уровне, понятие вещества иное. Химики оперируют понятием простое (состоящее из химического элемента одного наименования) и сложное (образованное химическими элементами разного наименования) чистое вещество. Однако, абсолютно чистое вещество – это абстрактное понятие. Ни одно вещество в реальном материальном мире не состоит на 100 % из химических частиц одного наименования. Сверхчистые вещества, созданные человеком, тем не менее, содержат в виде примесей атомы или молекулы другого наименования. Например, золото, полученное металлургическим путём в виде слитков, состоит на 99.99 % из атомов элемента Au и на 0.01 % из атомов других элементов; особо чистый алюминий содержит 0,001 % примесей в виде атомов других элементов. Слиток золота представляет собой твердую физико-химическую смесь макроколичества химических частиц – атомов золота и примесных атомов других элементов. Особочистый газ азот содержит 0,001 % примесей в виде других газообразных молекул. Примером вещества сложного химического состава является вещество речной воды. Речная вода – это объект химического анализа. Вещество речной воды представляет собой механическую (взвешенные частицы каких-то твердых веществ) и физико-химическую смесь молекул Н2О с множеством растворимых и нерастворимых в ней химических соединений органической и неорганической природы как природного (гуминовые кислоты, гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды кальция и магния и др.), так и техногенного (карбамид, фенол, лаурилсульфат натрия и др.) происхождения. Молекулы Н2О связаны как между собой межмолекулярными водородными связями, так и межмолекулярными связями различной природы с различными ионами (в виде гидратированных ионов) и различными молекулами (в виде аквакомплексов), находящимися в воде.) Любое вещество объекта химического анализа может быть отнесено к веществу природного или искусственного происхождения. Оно может находиться в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком, газообразном или смешанном (гетерофазном). Может быть органической, неорганической или смешанной природы. Например, растение – это объект анализа, а зола, полученная после сжигания растения, представляет собой твердое неорганическое вещество искусственного происхождения, содержащее смесь твердых неорганических химических соединений – углерода, окислов и солей металлов. |
| Химический состав вещества (материала) объекта анализа – совокупность компонентов, из которых состоит вещество (материал)объекта анализа.Под компонентом понимают химический элемент, изотоп, молекулу, радикал, функциональную группу, группу или класс химических соединений, обладающих определёнными однородными химическими или физическими свойствами [ГОСТ Р 52361-2005]. |
| Химический анализ вещества объекта анализа – определение компонентов химического состава вещества объекта анализа, например, компонентов вещества подземной воды, компонентов вещества урановой руды, компонентов вещества природного газа, компонентов вещества нефти и т.д. |
| Определяемый компонент в пробе вещества объекта анализа в зарубежных и в некоторых современных российских учебниках по аналитической химии называют аналитом. Этот термин введен в действие в аналитическую практику в России по ГОСТ Р 52361-2005 «Национальный стандарт Российской Федерации. Контроль объекта аналитический. Термины и определения» в 2005 году (в пособии используется термин «определяемый компонент»). Определяемым компонентом может быть, например, химический элемент свинец, изотопы атома калия 40К, органические молекулы CH4 или неорганические молекулы FeS, радикалы СН∙, функциональные группы -СН3 или ионы СО32-, группа или класс химических соединений – сумма углеводородов, сумма поверхностно-активных веществ и т. д. |
| Проба вещества объекта анализа – часть вещества объекта анализа, отобранная для химического анализа, отражающая его химический состав, структуру и свойства, и переданная в аналитическую лабораторию. Представительная проба вещества – проба вещества, которая по химическому составу, свойствам, структуре принимается идентичной веществу объекта анализа, от которого она отобрана. |
| Метод химического анализа вещества объекта анализа – это способ получения информации о химическом составе вещества объекта анализа на основе использования одного или нескольких принципов анализа вещества [ГОСТ Р 52361-2005]. |
| Аналитический сигнал –измерительный сигнал, регистрируемый в ходе анализа пробы вещества объекта анализа, содержащий качественную и количественную информацию о величине, функционально связанной с содержанием определяемого компонента (конкретных атомов, изотопов, ионов, молекул). Аналитическим сигналом служит физическое, физико-химическое или химическое свойство определяемого компонента, которое зависит от его наличия и его содержания в пробе анализируемого вещества. |
| Содержание компонента в пробе анализируемого вещества – это содержание массы компонента А, m (А), или содержание количества частиц компонента А,n (А), отнесенное к массе пробы вещества, m (вещ), пошедшей на анализ (процентное содержание компонента w(А)) или к объёму пробы жидкого или газообразного вещества V (массовая концентрация компонента Сm(А) и молярная концентрация компонента Сn(А)). w(А) = [m (А)/ mвещ]×100, %. Сm(А) =m(А)/Vм.к., г/дм3 Сn(А) =n(А)/Vм.к., мольг/дм3 |
| Результат химического анализа пробы вещества – это информация о качественном и/или количественном химическом составе пробы вещества объекта анализа, полученная в ходе анализа вещества. Информация о качественном химическом составе содержит сведения о названиях компонентов, присутствующих в пробе анализируемого вещества, информация о количественном химическом составе содержит сведения о содержании этих компонентов. |
| Методика химического анализа вещества объекта анализа – документ, в котором в соответствии с используемым методом анализа описана последовательность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результата химического анализа конкретного вещества конкретного объекта анализа с установленными характеристиками погрешности или неопределенностью для методик количественного анализа, а для методик качественного анализа – с установленной достоверностью. |
Примеры методик количественного химического анализа:
ПНД Ф 16.1.1-96 Методика выполнения измерения массовых концентраций ртути в пробах почв методом беспламенной атомной абсорбции с термическим разложением проб. (Диапазон измерений (мг/кг) От 0,02 до 2,0 вкл.)
ПНД Ф 14.1:2:4.5-95 (издание 2011 г.) Методика измерений массовой концентрации нефтепродуктов в питьевых, поверхностных и сточных водах методом ИК-спектрометрии. (Диапазон измерений (мг/дм3) от 0,05 до 50 вкл.)
РД 52.04.85-86 Методические указания по определению суммы углеводороводов в выбросах с использованием автоматических газоанализаторов.
РД 52.04.167-88 Методические указания. Измерения содержания металлов в атмосферных осадках и аэрозолях атомно-абсорбционным методом.
Контроль за загрязнением воздуха, воды и почвы вредными химичecкими компонентами (полллютантами - атомами, изотопами, ионами, молекулами, группой родственных соединений) основан на сравнении результатов измерения их содержаний в веществе объектов окружающей природной среды с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) этих компонентов.
ПДК – это максимальное количество вредного химического компонента в единице объёма (воздуха, воды) или массы (почва), которое при ежедневном воздействии в течение неограниченно продолжительного времени не вызывает в организме каких-либо патологических отклонений, а также неблагоприятных наследственных изменений для потомства.
Величины ПДК химичecких компонентов в атмосферном воздухе выражаются мг/м3; в природной воде в мг/дм3; в пахотном слое почвы в мг/кг.
|
Эколог, отдав пробу анализируемого вещества на химический анализ, желает знать, вещество объекта анализа содержит фоновые компоненты, либо оно загрязнено. Для этого он проведёт экологический» анализ данных химического анализа большой совокупности проб, отобранных в определенных точках оконтуренного объёма литосферы, гидросферы или атмосферы. С помощью методов теории вероятностей и математической статистики он покажет, что анализируемое вещество относится к природным образованиям или оно искусственного, за счет хозяйственной деятельности, происхождения и является загрязнением. Это решение будет являться обоснованием для проведения соответствующих экологических мероприятий.