Развитие аналитической химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Развитие аналитической химии

Содержание

Введение

Предмет и задачи аналитической химии

Значение аналитической химии в современной науке

Анализ в биологии и службе охраны природы

Заключение

Список использованной литературы

Введение

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 веществ 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 без разрушительных и дистанционных методов анализа (радиоактивные вещества, морские воды на больших глубинах, космические объекты). химический термодинамический автоматизация квантовый

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).

Дадим определение науки - аналитической химии, согласно академика И.П. Алимарина.

Итак, 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.

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.

Значение аналитической химии в современной науке

Аналитическая химия имеет важное научное и практическое значение. Почти все основные химические законы были открыты с помощью методов этой науки. Состав различных материалов, изделий, руд, минералов, лунного грунта, далеких планет и других небесных тел установлен методами аналитической химии, открытие целого ряда элементов периодической системы оказалось возможным благодаря применению точных методов аналитической химии.

Так, например, поиск нового элемента в минерале аргиродите предпринят в связи с "заниженным" результатом его анализа. Когда один из опытнейших аналитиков своего времени Фрайбергской Горной академии К. Винклер (1885) провел полный анализ аргиродита и нашел, что сумма масс его составных частей на 5--7% меньше 100%, он предпринял поиски этой неизвестной части минерала. Поиск оказался успешным, и уже к 1886 г. новый элемент был открыт и назван по предложению Винклера германием. (Существование его было предсказано Д. И. Менделеевым еще в 1871 г. как экасилиция.).

Ни одно современное химическое исследование, будь это синтез новых веществ, разработка новой технологической схемы, интенсификация производства, повышение качества продукции и т. д., не может обойтись без применения методов аналитической химии.

Существенное значение для многих технологических процессов имеет контроль производства, осуществляемый методами аналитической химии. Так, например, правильно составить шихту в металлургическом, стекольном или ином производстве можно, только зная состав исходных материалов.

Большое значение имеет анализ материалов в ходе технологического процесса, например контроль над плавкой в металлургической промышленности или полнотой извлечения в гидрометаллургических производствах, позволяющий на ходу устранять понижающие неполадки. Не менее важную роль играет аналитическая химия в геологии, геохимии, сельском хозяйстве, фармацевтической, лакокрасочной, нефтехимической и многих других отраслях промышленности.

Анализ в биологии и службе охраны природы

Основой экологического мониторинга является совокупность различных химических наук, каждая из которых нуждается в результатах химического анализа, поскольку химическое загрязнение - основной фактор неблагоприятного антропогенного воздействия на природу. Целью аналитической химии становится определение концентрации загрязняющих веществ в различных природных объектах. Ими являются природные и сточные воды различного состава, донные отложения, атмосферные осадки, воздух, почвы, биологические объекты и т.д.

Широкое внедрение высокоэффективных мер контроля над состоянием окружающей природной среды, не ликвидируя болезнь в корне, очень важно для диагностики. Эффект в этом случае может быть получен намного быстрее и с наименьшими затратами.

Система контроля даёт возможность вовремя обнаружить вредные примеси и локализовать источник загрязнения.

Без анализа почв, удобрений и т. д. невозможна интенсификация сельского хозяйства. Особое значение приобретает анализ почв на содержание микроэлементов и обоснованное внесение недостающих компонентов для повышения урожайности.

Вот почему роль аналитической химии в охране окружающей среды приобретает всё большее значение.

Без аналитической химии в современной жизни не обойтись. Однако на практике приходится встречаться с задачами, которые невозможно решить известными ранее приемами и методами. Поэтому основная задача аналитической химии - это разработка новых принципов, приемов и методов анализа. Пока принцип один: а.с. = f(состава).

Методы: разделения и концентрирования, определения, гибридные, химические, физико-химические, физические, биологические. Прогресс развития современной аналитической химии обусловлен, по крайней мере, двумя факторами: потребностями общества и внутренней логикой развития аналитической химии. Вот некоторые проблемы:

Анализ биообъектов. В этом заинтересованы биохимия, биотехнология, медицина, молекулярная биология. Большинство Нобелевских премий в об- ласти химии за последние 40 лет связаны с указанными областями. Так, Но- белевская премия 2002 г. была присуждена 85-летнему почетному профессо- ру Университета содружества (штат Вирджиния, США) Дж. Фенну, 43- 6 летнему доктору из фирмы "Шимадзу" Коичи Танака (Киото, Япония) и 64- летнему профессору Швейцарского Федерального технологического инсти- тута (Цюрих) Курту Вютриху за развитие методов идентификации и изуче- ния строения биологических макромолекул. Обеспечение химической безопасности. Содержание метана в угольных шахтах, боевые отравляющие веществава, ядерные реакторы, несимметричный диметилгидразин (гептил)-компонент жидкого ракетного топлива и др.

Анализ объектов окружающей среды. В настоящее время согласно да- ным ВОЗ в промышленности используется до 500000 соединений (в основном органического происхождения), из которых более 40 тыс. являются вредны- ми для здоровья человека и около 12 тыс.-токсичными. Вместе с тем, в Рос- сии ПДК установлены примерно для 1400 соединений в воде, 1300-в воздухе и 200-в почве, т.е. только для незначительной части соединений поступаю- щих в окружающую среду. В результате деятельности человека уничтожено 240 млрд. т. кислорода. Взамен в атмосферу ежегодно поступает 20 млрд. т. диоксида углерода, 40 млн. т. углеводородов, 150 млн. т. диоксида серы, 20 млн. т. оксидов азота, более 200 млн. т. оксида углерода.

Заметно возросла роль аналитической химии в связи с тем, что больше внимания стало уделяться состоянию и контролю над загрязнением окружающей среды, контролю над технологическими выбросами, сточными водами и т. д. В России и многих других странах организована специальная общегосударственная служба наблюдения и контроля над уровнем загрязнения объектов окружающей среды. Эта служба контролирует загрязнение воздуха, почв, речных и морских вод. Объектами наблюдения являются также атмосферные осадки. Критериями качества воздуха, почв и вод являются предельно допустимые концентрации (ПДК).

Заключение

Таким образом, аналитическая химия прошла большой исторический путь. Можно выделить следующие периоды: наука древних; алхимия (IV-XVI вв.), иатрохимия (IV-XVII вв.), эпоха флогистона (XVII- XVIII вв.), период научной химии (XIX-XX вв.), современный период.

В анализе древности первым аналитическим прибором были весы. Анализу подвергали руды, сплавы, изделия из драгоценных металлов. А также в древности умели определять концентрацию по удельному весу. Во времена алхимии выполнен огромный объём экспериментальных работ, что обеспечило развитие техники химических операций и накопление обширной конкретной информации о свойствах веществ. Было найдено много способов, различать вещества. В этот период были открыты цинк, сурьма и висмут. В период и атрохимии появились новые способы обнаружения веществ, основанные на переводе их в раствор. Время теории флогистона многое было сделано в области изучения газов. Период научной химии характеризовался многими общеизвестными открытиями. Аналитическая химия, обогащаясь новыми методами, продолжала развиваться и совершенствоваться. Современная аналитическая химия приобретает новые черты: она становится более экспрессной, точной, автоматизированной, способной проводить анализ без разрушения и на расстоянии.

В современный период аналитическая химия как наука не стоит на месте: появляются новые методы и методики, новые приборы и новые области применения.

Список использованной литературы

1. Аналитическая химия. Физические и физико-химические методы анализа / Под ред. О.М. Петрухина. М.: Химия, 2006.

2. Артеменко А.И. Органическая химия. М.: Высшая шк., 2006

3. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая шк., 2008.

4. Биологическая химия / Под ред. Ю.Б. Филипповича, Н.И. Ковалевской, Г.А. Севастьяновой. М.: Академия, 2009.

5. Биохимия / Под ред. В.Г. Щербакова. СПб.: ГИОРД, 2008.

6. Васильев В.П. Аналитическая химия. М.: Дрофа, 2004.

7. Вольхин В.В. Общая химия. Избранные главы. СПб.: Химия, 2008.

8. Гельфман М.И., Юстратов В.П. Химия. СПб.: ГИОРД, 2008.

9. Глинка Н.Л. Общая химия. М.: Высшая шк., 2007.

10. Гранберг И.И. Органическая химия. М.: Дрофа, 2007.

11. Дорохова Е.Н., Прохорова К.В. Аналитическая химия. Физико-химические методы. М.: Высшая шк., 2006.

12. Ким А.М. Органическая химия. Новосибирск: НГТУ, 2009. 299 с.

13. Коровин И.В. Общая химия. - М.: Химия, 2009.

14. Никольский А.Б. Суворов А.В. Химия. - СПб.: ГИОРД, 2007.

15. Основы аналитической химии / Под ред. академика Ю. А. Золотова. -- М.: Высшая шк., 2002.

16. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. СПб.: Химия, 2008.

17. Пилипенко А. Т., Пятницкий И. В. Аналитическая химия. М.: Химия, 1990.

18. Семенов И.Н., Перфилова Н.Л. Химия. СПб.: Химия, 2006.

Размещено на Allbest.ru