Современные основы аналитической химии

Современные проблемы аналитической  химии 

План:

1. История развития аналитической химии

2. Аналитические  задачи и принципы аналитических  определений

3. Ошибки  при количественном анализе

4. Чувствительность, правильность и точность анализа

5. Классификация  методов анализа

 

1. История развития аналитической химии 

Аналитическая химия сформировалась в современную  науку в процессе длительного исторического развития. С глубокой древности известны простейшие приемы качественного распознавания веществ по их твердости, вкусу, цвету и запаху, а также несложные приемы очистки их с помощью перекристаллизации, фильтрования или перегонки. В IX-X в.в. на Руси уже умели определять чистоту некоторых металлов,  например чистоту серебра по его плотности, а в XVII-XVIII в.в. довольно широко пользовались так называемым „пробирным методом”. Его в совершенстве освоил  Петр I при исследовании  руд.

Термин  „химический анализ” был введен англичанином Бойлем в первой половине XVII в.  Становление аналитической химии как науки относят к XIX в. К этому времени относится открытие законов кратных отношений (Ж. Гей-Люссак), разработка теории электрохимического дуализма (И.Я. Берцеллиус), на основе которых создана теория электролитической диссоциации. В середине XIX в. накопились сведения о частных реакциях веществ и появились первые учебники с разработанной системой качественного и количественного анализа. Однако аналитическая химия начала формироваться в самостоятельную науку лишь после работ М.В. Ломоносова, который открыл закон сохранения массы вещества и ввел количественный учет при химических процессах. В книге „Первые основания металлургии или рудных дел” он описал многие методы анализа. Периодический закон позволил систематизировать знания о соединениях, важных для химического анализа. Аналитическая классификация катионов связана с положением элементов в периодической системе. Методы разделения также базируются на периодическом законе. Таким образом, труды Д.И. Менделеева составили теоретический фундамент методов аналитической химии и определили основные направления ее развития.

Основы  качественного и количественного  анализа в его современном  виде заложил Карл Ремигиус Фрезениус  (1818-1897г.г.), предложив в 1841г. усовершенствованную схему разделения неорганических ионов. Развитию аналитической химии в России как науки способствовали работы академика В.М. Севергина (1796 г.) „Руководство к испытанию минеральных вод”, „Пробирное искусство или руководство к химическому испытанию металлических руд и других ископаемых тел”(1801).

В  XVII – XIX в.в. большой вклад в разработку методов анализа ряда неорганических веществ внесли шведские химики Бергман (1732-1784) и Берцелиус (1779-1848), немецкий химик Фрезениус (1818-1837). Французский ученый Гей-Люссак (1778-1850) впервые осуществил количественное определение веществ с помощью объемного анализа. В результате работ немецких ученых Бунзена и Кирхгофа в 1859 г. был основан метод спектрального анализа. Начиная с середины XIX  в., сначала для целей идентификации, а затем и для количественных определений в аналитической химии стали использовать инструментальные методы анализа, обладающие преимуществами в чувствительности, скорости, точности выполнения анализа. Развитие инструментальных методов привело к появлению новых методов: хроматография (М.С. Цвет, 1906г.), фотометрические методы анализа (И.П. Алимарин, В.И. Кузнецов), радиометрических (В.Г. Хлопин), электрохимических (В.И. Вернадский, А.П. Виноградов, Б.П. Никольский, И.П. Алимарин). С развитием ЭВМ изменилась принципиально методология проведения химического анализа – моделирование, алгоритмизация, системного подхода – все это привело к „перестройке” в аналитической химии, которую теперь квалифицируют как науку, занимающуюся получением информации о химическом составе вещественных систем. 

Развитие  аналитической химии осуществляется в следующих направлениях:

- в  области теории: развитие теории химических процессов, расчет сложных химических систем на основе термодинамических и квантово-химических представлений с применением алгоритмов и вычислительной техники.

- в методическом  аспекте: внедрение автоматизации  в аналитический контроль на основе новых методов, устанавливающих зависимость между составом и свойствами химических систем без их измерения (физико-химический анализ, лазерная, электронная, полупроводниковая техника).

- в прикладном  аспекте:

·  повышение предела обнаружения, то есть снижение минимальных концентраций и количеств определяемых веществ, что связано с получением вещества особой чистоты;

·  увеличение точности анализа;

·  создание методов анализа, обладающих высокой избирательностью, исключающих необходимость устранения мешающих компонентов;

·  разработка экспрессных методов анализа, позволяющих исследовать процессы, протекающие в короткие промежутки времени (ядерные реакции);

·  разработка методов микроанализа;

·  разработка безразрушительных и дистанционных методов анализа (радиоактивные вещества, морские воды на больших глубинах, космические объекты). 

В развитие этих направлений большой вклад  внесли русские  аналитики: всемирно известны их работы по анализу веществ высокой чистоты, разработке органических аналитических реагентов, фотометрии и другие. В нашей стране создан ряд методов, которые используют во многих странах (тонкослойная хроматография, бесстружковый метод анализа).

2. Аналитические задачи и принципы аналитических определений 

Аналитическая химия – не просто дисциплина, накапливающая и систематизирующая знания; эта наука имеет огромное практическое значение в жизни общества, она создает средства для химического анализа и обеспечивает его осуществление – в этом ее главное предназначение. Без эффективного химического анализа невозможно функционирование ведущих отраслей народного хозяйства, систем охраны природы и здоровья населения, оборонного комплекса, невозможно развитие многих смежных областей знания.    

Аналитическая химия – наука, развивающая теоретические основы анализа химического состава веществ, разрабатывающая методы идентификации и обнаружения, определения и разделения химических элементов, их соединений, а также методы установления химического строения соединений.  

В соответствии с определением аналитической химии  как науки, занимающейся разработкой методов определения химического состава вещества, можно выделить следующие аналитические задачи:

1.Установление  химического состава анализируемого объекта:   

- качественный анализ, который включает идентификацию объекта и  обнаружение тех или иных компонентов;

- количественный анализ решает задачу определения содержания (количество и концентрации) того или иного компонента в анализируемом объекте.  

Между качественным и количественным анализом нет принципиального различия. Качественный анализ можно рассматривать как количественный с   приближенными показаниями.  

2.Определение  структуры соединения, то есть  установление взаимного расположения и связей элементарных составных частей в молекулах (структурный анализ).  

3. Обнаружение неоднородностей на поверхности или в объеме твердых тел, распределение элементов в поверхностных слоях    осуществляют методом локально-распределительного анализа.   

4. Исследование процессов во времени в ходе производственного процесса.

Для решения  перечисленных задач разрабатывают  различные методы, основанные на зависимости свойств вещества от его состава, и составляют методики анализа.  В основе методики анализа лежат принципы аналитических определений.   

Принцип анализа   определяется явлениями природы, лежащими в основе химического или физического процесса.

Например, весовой метод, в котором количество вещества определяют путем измерения массы, основан на законе всемирного тяготения; титриметрический анализ основан на законе эквивалентов – по количеству продукта реакции можно рассчитывать количество определяемого вещества; либо проводят измерение физических свойств веществ или продуктов их химических реакций. Из физических свойств используют плотность, цвет, электрическую проводимость растворов и веществ.  

Предмет аналитической химии - разработка методов анализа, их практическое выполнение, определение состава веществв, изучение физических и химических свойств веществ.

Задачи  аналитической химии:

1. развитие теории  методов анализа.

2. разработка  и совершенствование методов  анализа.

3. обеспечение  химико-аналитического контроля в процессе проведения научно-исследовательских работ.

Большое место отводится в аналитической химии поиску новых современных методов анализа, с использованием новых достижений науки и техники. Анализ имеет большое значение для промышленности, медицины. Определяется состав вод, почв.

3. Ошибки при количественном анализе

 

По своему характеру ошибки анализа подразделяются на систематические, случайные и  промахи.

1. Систематические – погрешности, одинаковые по знаку и влияющие на результат в сторону его увеличения, либо в сторону уменьшения.

а) Методические – это ошибки, которые зависят от особенности применяемого метода (неполное протекание реакции, частичное растворение осадка, свойство индикатора).

б)  Оперативные  – недостаточное промывание осадка на фильтре, ошибки

приборные или реактивов, неравноплечность весов.

в)  Индивидуальные – ошибки лаборантов (способность  точно определять

 окраску  при титровании, психологические  ошибки).

г) Приборные или реактивные (эти ошибки связаны с недостаточной точностью используемых приборов, ошибки лаборанта).

2. Случайные - они неизбежны при любом определении. Они могут быть значительно уменьшены при увеличении числа параллельных определений.
3. Промахи - грубые ошибки, которые обусловлены от неправильного подсчета разновесок, поливания части раствора, просыпания осадка.

                   

4. Чувствительность, правильность и точность анализа

 

Чувствительность  – минимальная определяемая концентрация вещества.

Правильность – близость полученного результата к истинному.

Точность  -  характеристика воспроизводимости определения от опыта к опыту. Анализ считается выполненным более точным, чем меньше различаются результаты параллельных определений между собой.

Абсолютная  ошибка – разность между полученным результатом и истинным или наиболее достоверным значением.

                                        

Относительная ошибка – отношение абсолютной ошибки к истинному значению.

                                      

5. Классификация методов анализа

 

Согласно  рекомендации ИЮПАК (Международный союз чистой и прикладной химии) аналитический процесс включает в себя несколько уровней.   

Методом анализа  называют принципы, положенные в основу анализа вещества, то есть вид и природу энергии, вызывающей возмущение химических частиц вещества.

В основе анализа лежит зависимость между  фиксируемым аналитическим сигналом от наличия или концентрации определяемого вещества.  

Аналитический сигнал – это фиксируемое и измеряемое свойство объекта.  

В аналитической  химии методы анализа классифицируют по характеру определяемого свойства и по способу регистрации аналитического сигнала: