Предмет и задачи аналитической химии

Аналитическая химия — важная самостоятельная наука. Аналитическая химия является научной основой химического анализа. Роль химического анализа в жизни общества общеизвестна. Анализ — главное средство контроля над состоянием окружающей среды, производства, качества продукции химической, нефтехимической, фармацевтической, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности, а также в металлургии и геологической службе. Химический анализ необходим для нормального функционирования агропромышленного комплекса (анализ состава почв, удобрений, кормов, сельскохозяйственной продукции), в биотехнологии, медицинской диагностике, криминалистике. Объектами химического анализа является практически все, что нас окружает.

Для проведения химического анализа порой сложных неисследованных объектов привлекаются различные методы (в последние годы увеличивается доля физических методов, привлекают внимание биологические методы анализа), часто встает задача проведения химического анализа на расстоянии и без разрушения образца. Следовательно, развитие химического анализа возможно лишь в результате тесного взаимодействия теории и практики.

Теория и практика химического анализа и есть предмет аналитической химии как науки. Аналитическая химия не только разрабатывает теоретические основы методов, определяет границы применяемости методов, их метрологические и другие характеристики, но и предлагает способы анализа различных объектов. Таким образом, задачей аналитической химии является развитие теории методов анализа, процессов и операций в научном исследовании. Разработка новых, более чувствительных, точных, быстрых и специфичных методов анализа, совершенствование существующих методов, конструирование новых приборов, синтез новых реактивов, автоматизация и компьютеризация методов анализа — все это задачи современной аналитической химии. Следовательно, задачи аналитической химии в настоящее время перестали быть задачами только химии. Рабочей группой международной ассоциации химиков-аналитиков (ИЮПАК) рекомендована следующая современная формулировка понятия «аналитическая химия». Аналитическая химия — это научная дисциплина, которая развивает и применяет методы, общие подходы и приборы для получения информации о составе и природе вещества в пространстве и времени.

Структуру аналитической химии можно оценить, опираясь на ее методы. В соответствии с целью и назначением все методы аналитической химии можно разделить на методы проботбора, разложения проб, разделения компонентов, обнаружения (идентификации) и определения. Наибольшее значение имеют методы определения.

Методы определения основаны на различных принципах. Аналитическая химия для своих целей использует не только химические, но и физические, физико-химические и даже биологические методы. Объединяет их одна общая цель — измерение количества вещества. Последнее обстоятельство усиливает значение метрологии в химическом анализе.

Итак, аналитическая химия — это наука о методах определения химического состава веществ, из которых состоят объекты природы и деятельности человека. Под химическим составом понимают состав элементный (наиболее важный и самый распространенный вид анализа), молекулярный, фазовый, изотопный. При определении химического состава органических соединений применяют функционально-групповой анализ (выявление наличия определенных функциональных групп в молекуле анализируемого вещества).

Различают методы качественного и количественного анализа. Задача качественного анализа — обнаружение элементов (ионов, молекул, функциональных групп, свободных радикалов, фаз), содержащихся в исследуемом веществе или смеси веществ. Задача количественного анализа — определение количественного содержания и соотношения компонентов в анализируемом веществе или смеси.

Согласно Аристотелю, элементы-стихии — это не материальные субстанции, а носители определенных качеств — тепла, холода, сухости и влажности. Этот взгляд трансформировался в идею четырех «соков» Галена и господствовал в науке вплоть до XVII в.

Другим важным вопросом, занимавшим греческих натурфилософов, был вопрос о делимости материи. Родоначальниками концепции, получившей впоследствии название " атомистической" , были Левкипп, его ученики Демокрит и Эпикур.

Согласно их учению, существуют только пустота и атомы — неделимые материальные элементы, вечные, неразрушимые, непроницаемые, различающиеся формой, положением в пустоте и величиной; из их «вихря» образуются все тела.

Атомистическая теория оставалась непопулярной в течение двух тысячелетий после Демокрита, но не исчезла полностью. Одним из ее приверженцев стал древнегреческий поэт Тит Лукреций Кар, изложивший взгляды Демокрита и Эпикура в поэме «О природе вещей» (De Rerum Natura).

Центральная проблема химии XVIII в. — проблема горения. Вопрос состоял в следующем: что случается с горючими веществами, когда они сгорают в воздухе? Для объяснения процессов горения немецкими химиками И. Бехером и его учеником Г. Э. Шталем была предложена теория флогистона. Флогистон — это некоторая невесомая субстанция, которую содержат все горючие тела и которую они утрачивают при горении. Тела, содержащие большое количество флогистона, горят хорошо; тела, которые не загораются, являются дефлогистированными. Эта теория позволяла объяснять многие химические процессы и предсказывать новые химические явления. В течение почти всего XVIII в. она прочно удерживала свои позиции, пока французский химик А. Л. Лавуазье в конце XVIII в. не разработал кислородную теорию горения.

Лавуазье показал, что все явления в химии, прежде считавшиеся хаотическими, могут быть систематизированы и сведены в закон сочетания элементов, старых и новых. К уже установленному до него списку элементов он добавил новые — кислород, который вместе с водородом входит в состав воды, а также и другой компонент воздуха — азот. В соответствии с новой системой химические соединения делились в основном на три категории: кислоты, основания, соли. Лавуазье рационализировал химию и объяснил причину большого разнообразия химических явлений: она заключается в различии химических элементов и их соединений.

Победа атомно-молекулярного учения. Следующий важный шаг в развитии научной химии был сделан Дж. Дальтоном, ткачом и школьным учителем из Манчестера. Изучая химический состав газов, он исследовал весовые количества кислорода, приходящиеся на одно и то же весовое количество вещества в различных по количественному составу окислах, и установил кратность этих количеств. Например, в пяти окислах азота количество кислорода относится на одно и то же весовое количество азота как 1: 2: 3: 4: 5. Так был открыт закон кратных отношений.

Дальтон правильно объяснил этот закон атомным строением вещества и способностью атомов одного вещества соединяться с различным количеством атомов другого вещества. При этом он ввел в химию понятие атомного веса.

И, тем не менее, вначале XIX в. атомно-молекулярное учение в химии с трудом пробивало себе дорогу. Понадобилось еще полстолетия для его окончательной победы. На этом пути был сформулирован ряд количественных законов, которые получали объяснение с позиций атомно-молекулярных представлений. Для экспериментального обоснования атомистики и ее внедрения в химию много усилий приложил Й. Я. Берцелиус. Окончательную победу атомно-молекулярное учение одержало на 1-м Международном конгрессе химиков.

В 1850—1870-е гг. на основе учения о валентности химической связи была разработана теория химического строения, которая обусловила огромный успех органического синтеза и возникновение новых отраслей химической промышленности, а в теоретическом плане открыла путь теории пространственного строения органических соединений — стереохимии .

Во второй половине XIX в. складываются физическая химия, химическая кинетика — учение о скоростях химических реакций, теория электролитической диссоциации, химическая термодинамика. Таким образом, в химии XIX в. сложился новый общий теоретический подход — определение свойств химических веществ в зависимости не только от состава, но и от структуры.

Развитие атомно-молекулярного учения привело к идее о сложном строении не только молекулы, но и атома. В начале ХIХ в. эту мысль высказал английский ученый У. Праут на основе результатов измерений, показывавших, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. Праут предложил гипотезу, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода. Новый толчок для развития идеи о сложном строении атома дало великое открытие Д. И. Менделеевым периодической системы элементов, которая наталкивала на мысль о том, что атомы не являются неделимыми, что они обладают структурой и их нельзя считать первичными материальными образованиями.