АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Расстановка ударений: АНАЛИТИ`ЧЕСКАЯ ХИ`МИЯ

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ — раздел химии, разрабатывающий теоретические основы и методы определения качественного и количественного состава веществ и их смесей. А. х. подразделяется на качественный и количественный анализ.

Качественный анализ изучает и применяет методы определения качественного хим. состава исследуемого объекта, т. е. устанавливает, из каких соединений, химических элементов, ионов или радикалов состоит данное вещество.

Количественный анализ изучает и применяет методы определения количественного состава исследуемого образца, т. е. устанавливает, в каких количествах в нем содержатся те или иные соединения, химические элементы, ионы или радикалы.

Еще в древности были известны отдельные приемы хим. анализа — выпаривание, фильтрование, кристаллизация. Позднее начали проводить качественную оценку руд, лекарственных веществ; развилось «пробирное искусство» — испытания различных руд и изделий на содержание золота, серебра и других металлов [Агрикола (G. Agricola, 1494 — 1555)]. В конце 17 в. Р. Бойль сформулировал задачу химии как познание состава веществ с помощью хим. анализа и разложения всех веществ на составляющие их элементы. Бойль описал проведение анализов «мокрым путем», т. е. в растворах для неорганических веществ. Он же предложил первый индикатор — настой лепестков фиалки, краснеющий от кислот и синеющий от щелочей.

В середине 18 в. М. В. Ломоносов описал многие из применяемых методов и приемов хим. анализа, предложил использовать весы для количественного анализа, а также микроскоп для целей хим. анализа. Позднее русский ученый, академик Т. Е. Ло-виц (1794) разработал метод микрокристаллоскопии (см.).

Член Медицинской коллегии академик В. М. Севергин в 1795 г. опубликовал «Руководство к испытанию минеральных вод», в 1800 г. — книгу «Способ испытывать чистоту и неподложность химических произведений лекарственных», в 1801 г. — труд «Пробирное искусство или руководство к химическим испытаниям металлических руд и других ископаемых». Эти руководства способствовали дальнейшему развитию аналитической химии в России. Классическими работами шведского ученого Берцелиуса (J. Berzelius, 1779—1848), французского ученого Гей-Люссака (J. L. Gay-Lussac, 1778—1850) и др. были заложены основы современной аналитической химии — качественный и количественный анализ; работами Либиха (J. Liebig, 1803—1873) — элементный анализ органических соединений. Казанский химик К. К. Клаус опубликовал в 1862 г. «Методические таблицы реакций, применяемых при химико-аналитических исследованиях», к-рые содержали описание аналитической классификации групповых и специфических реакций и систематический ход анализа.

Вторая половина 19 в. характеризуется развитием физ. и физ.-хим. методов анализа: открытием спектрального анализа [Бунзен (R. Bunsen) и Кирхгоф], созданием физ.-хим. методов анализа (Д. И. Менделеев). В 1871 г. Н. А. Меншуткин опубликовал классическое руководство «Аналитическая химия», выдержавшее много изданий как у нас в стране, так и за границей и послужившее образцом научного изложения А. х. неорганических соединений. На развитие А. х. большое влияние оказали открытие периодического закона Менделеевым и теории электролитической диссоциации Аррениусом (S. A. Arrhenius, 1859—1927). Русский ученый Н. С. Курнаков (1860—1941), продолжая работы Менделеева, развил методы физ.-хим. анализа. Немецкий химик Оствальд (W. Ostwald, 1853 — 1932) показал, что в анализе неорганических веществ наибольшее значение имеют ионные реакции; им же впервые для теоретического обоснования методов А. х. были широко использованы учение о химическом равновесии, теория электролитической диссоциации и учение об окислительно-восстановительных реакциях.

Первая половина 20 в. характеризуется все большим развитием физ.-хим. инструментальных методов анализа.

В 1903 г. М. С. Цвет разработал хроматографический анализ (см. Хроматография). М. А. Ильинский и Л. А. Чугаев предложили органические реагенты для анализа неорганических соединений. Н. А. Тананаев и Файгль (F. Feigl) разработали методы капельного дробного анализа. Новое развитие получили методы микрокристаллоскопического анализа, а также полумикроанализ, микроанализ и ультрамикроанализ (И. П. Алимарин, К. Л. Маляров, И. М. Коренман).

Качественный анализ. Анализируемый образец вначале переводят в раствор и затем обычно применяют или разделение смеси различных ионов на аналитические группы катионов и анионов по ходу систематического анализа, или дробные методы анализа, позволяющие открывать каждый ион в присутствии других ионов без предварительного разделения их на группы.

Химические методы анализа индивидуальных веществ или их смесей основаны на превращении анализируемого вещества в соединение, обладающее такими характерными свойствами, к-рые позволяют легко идентифицировать, а затем и количественно определять его. Напр., железо легко открыть в виде берлинской лазури или красного роданида железа, аммиак в солях аммония — по резкому запаху, действуя на них щелочью, или по красно-бурой окраске с реактивом Несслера, после чего их можно количественно определить, напр. колориметрически (см. Фотометрия).

В качественном анализе используют микрокристаллоскопию, хроматографию, характерное окрашивание пламени газовой или спиртовой горелки (гл. обр. парами щелочных и щелочноземельных металлов и меди), образование ярко окрашенных растворов или осадков, выделение газов (водорода, окислов азота, аммиака, кислорода, двуокиси углерода, циана, двуокиси серы, сероводорода, мышьяковистого водорода и др.).

Качественный систематический анализ проводят или сероводородным, или кислотно-щелочным методом, осаждая отдельные группы катионов металлов групповыми реактивами: сероводородом или его солями, карбонатами, соляной и серной кислотами, гидроокисями натрия и аммония. Полученные в виде малорастворимых осадков групп катионов затем систематически подразделяют на все меньшие подгруппы и наконец открывают с помощью характерных реакций отдельные катионы. Анионы подразделяют на группы, осаждая их нитратом или ацетатом серебра и бария, или чаще дробным методом анализа, напр. методом капельной осадочной хроматографии на бумаге (Н. Ф. Кулаев). Дробным методом можно открыть и любой катион (капельный анализ Н. А. Тананаева и осадочная хроматография на бумаге).

В зависимости от количества используемого для анализа объекта различают методы макроанализа, полумикроанализа, микроанализа, ультрамикроанализа. Напр., в полумикроанализе работают с количествами веществ от 0,05 до 0,5 г и объемами от 1 до 10 мл; в микроанализе с 0,001 г и меньше и 0,1 мл и меньше. Методы анализа малых количеств широко применяют при клинических анализах в биохимии, фармакологии, токсикологии, судебной химии и т. д.

В качественном органическом анализе применяют различные групповые реакции (на альдегиды, сахара, аминокислоты, карбоновые кислоты, алкалоиды и др.), позволяющие установить принадлежность анализируемого вещества к определенному классу органических соединений. Такими реакциями можно установить, является ли вещество спиртом, фенолом, амином или кислотой.

Смеси органических веществ можно разделять групповыми реактивами: напр., смесь углеводородов, фенолов, карбоновых кислот и аминов можно разделить, применяя последовательно в качестве групповых реактивов карбонат натрия, гидроокись натрия и соляную к-ту. При разделениях смесей органических веществ используют различия в их летучести (при перегонке с водяным паром), различия в адсорбируемости (при хроматографировании) и др.; для отдельных фракций затем проводят характерные хим. реакции, позволяющие установить принадлежность тех или иных веществ к определенному классу органических соединений. Часто соединение удается отделить от других, превратив его в какое-либо производное (дериват): напр., органические кислоты легко выделить из растворов в эфире в виде аммонийных солей, амины — в виде хлористоводородных солей, что позволяет отделить их от углеводородов, спиртов и других соединений, легко растворимых в эфире.

Количественный анализ. Для количественного разделения соединений, образующих смесь неорганических веществ, применяют обычно разделения хим. методами, как, напр., фракционное осаждение, основанное на различной растворимости веществ, разделение гидроокисей при различных значениях рН (см. Водородный показатель), разделение путем образования комплексных ионов, окисления или восстановления одного из компонентов смеси, осаждения органическими реагентами (диметилглиоксим, 8-оксихинолин и др.). Применяют разделения физ. методами: дистилляцией (см.), или отгонкой, возгонкой (см.), или сублимацией, экстрагированием (см.), хроматографией (см.) и др.

Современные методы количественного анализа основаны гл. обр. на измерении различных физических свойств вещества: массы, объема, плотности, светопоглощения (см. Спектрофотометрия, Фотометрия), флуоресценции (см.) и люминесценции (см.), показателя преломления (см. Рефрактометрия), вращения плоскости поляризации света (см. Поляриметрия), величины тока (см. Амперометрическое титрование, Полярография), электродного потенциала (см. Потенциометрическое титрование), электропроводности (см. Кондуктометрия), естественной и искусственной радиоактивности (см. Активационный анализ), масс-спектров изотопов, электронного парамагнитного резонанса (см.), ядерного магнитного резонанса (см.) и других свойств. Между количеством химического элемента, его концентрацией и измеряемой физической величиной в каждом из этих методов анализа существует определенная зависимость, к-рая и позволяет проводить количественное определение данного элемента или соединения. Эти методы открывают новые возможности познания состава и строения соединений, определения малых количеств (до 10^-12 — 10^-15%) примесей.

Количественный хим. анализ подразделяется на гравиметрический (весовой) и титриметрический (объемный). К количественному анализу относятся также газовый анализ (см.) и элементорганический анализ. В количественном анализе все больше применяют физ.-хим. инструментальные методы.

Гравиметрический, или весовой, анализ основан на законе сохранения массы вещества при хим. реакциях. Измерение массы производят на аналитических весах (см.). Для выполнения весового анализа точно отвешивают определенное количество анализируемого образца, растворяют его, выделяют осаждаемую форму (обычно это малорастворимое соединение), отделяют ее от маточного раствора фильтрованием через бумажный фильтр или пористый тигель, высушивают и прокаливают до постоянной массы. Результаты анализа выражают в процентах от массы анализируемого образца. Весовым методом определяют, напр., магний, кальций, железо, сульфаты.

Титриметрический, или объемный, анализ основан на точном измерении объема (до 0,03 мл) раствора реактива, прибавляемого из бюретки к раствору анализируемого вещества, помещенному в колбу для титрования. Необходимо предварительно точно знать концентрацию расходуемого реактива, чтобы вычислить содержание определяемого вещества в титруемом растворе. Для титриметрического анализа используют метод нейтрализации (см. Нейтрализации метод), оксидиметрию (см.), комплексонометрию (см.) и метод осаждения (см. Осаждения методы). Применяют также амперометрическое титрование, кондуктометрическое титрование, потенциометрическое титрование.

Газовый анализ позволяет установить качественный и количественный состав смесей газов, напр. газов, вдыхаемых и выдыхаемых человеком и животными, состав газов в производственных и жилых помещениях. Наиболее точный анализ смесей газов и паров производят методом газо-жидкостной хроматографии.

Элементный органический анализ, называвшийся раньше элементарным, состоит в разложении органического вещества или соединения, сопровождающемся образованием двуокиси углерода, воды, азота, аммиака, и последующем количественном определении углерода, водорода, кислорода, азота, серы, фосфора, металлов, галогенидов и других элементов, содержащихся в анализируемом органическом соединении, различными методами, применяемыми в А. х. Молекулярный и функциональный анализы позволяют установить, какие соединения, радикалы и функциональные группы содержатся в анализируемом образце вещества.

В А. х. большое значение имеет правильная математическая обработка полученных результатов измерений определяемых величин, графическое изображение результатов измерений и расчет калибровочных графиков.

Управление производством в мед. и химико-фармацевтической промышленности, биохимические и клинические исследования, задачи суд.-хим. экспертизы, токсикологические и сан.-гиг. исследования, контроль качества пищевых продуктов и другие вопросы требуют осуществления рационально построенной системы химико-аналитического контроля как на отдельных стадиях различных процессов и операций, так и . каждого процесса в целом. Исчерпывающая информация возможна в ряде случаев только при использовании регистрирующих, сигнализирующих, блокирующих и вычислительных устройств, управляющих машин и приборов. Поэтому электроника начинает все шире проникать в А. х., что допускает применение автоматических методов хим. контроля. По-видимому, все большая автоматизация процессов в А. х. является желательной и даже необходимой. Применение физ.-хим. инструментальных методов анализа является наиболее благоприятным для решения вопросов автоматизации. Все это сильно меняет облик классической А.х. Применение современных физ. приборов позволяет решать такие задачи, к-рые были не по силам классическим методам. Особенно это важно при анализах ядовитых, огнеопасных, взрывчатых и радиоактивных веществ, где все анализы можно выполнять лишь при помощи специальных манипуляторов и дистанционных устройств.

Успешное развитие А. х. связано с углубленной разработкой теоретических вопросов, требует обобщения основ А. х. и создания физических теорий строения атомов и молекул, зависимости между составом и строением, возможностей предвидения химико-аналитических особенностей и физ.-хим. свойств анализируемых соединений. Бурное развитие промышленности, сельского хозяйства, современные задачи медицины и биологии ставят перед А. х. совершенно новые задачи в области сан.-гиг., агрохимических, биохимических и клинических анализов, анализов в условиях космоса и больших глубин в океанах и морях. Важное значение имеют также методы анализа непосредственно на объекте, без его повреждения (бесстружковый анализ, высокочастотный анализ и др.). В области классических методов анализа также наблюдается появление новых направлений: анализ неводных растворов, разработка новых окислительно-восстановительных методов, титриметрических методов анализа органических соединений и др.

Библиогр.: Учебники, руководства, справочные издания — Алексеев В. Н. Количественный анализ, М., 1963; Бабко А. К. и Пятницкий И. В. Количественный анализ, М., 1968; Бабко А. К. и др. Физико-химические методы анализа, М., 1968; Бауер К. Г. Анализ органических соединений, пер. с нем., М., 1953, библиогр.; Берка А., Вултерин Я. и Зыка Я. Новые ред-окс-методы в аналитической химии, пер. с чешек., М., 1968, библиогр.; Гарбузов А. И. и Тиле В. К. Количественный химический полумикроанализ, М., 1963; Гарбузов А. И., Мишин В. П. и Тиле В. К. Качественный химический полумикроанализ, М., 1960; Гиллебранд В. Ф. и др. Практическое руководство по неорганическому анализу, пер. с англ., М., 1960; Клячко Ю. А. и Шапиро С. А. Курс химического качественного анализа, М., 1960; Крешков А. П. Основы аналитической химии, т. 1—2, М., 1970; Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии, М;, 1971; Справочник химика, под ред. Б. П. Никольского, т. 4, М.—Л., 1965; Шарло Г. Методы аналитической химии, пер. с франц., ч. 1—2, М., 1969; Шемякин Ф. М., Карпов А. Н. и Брусенцов А. Н. Аналитическая химия, М., 1957—1970; Эшворт М. Р. Ф. Титриметрические методы анализа органических соединений, пер. с англ., М., 1968, библиогр.; Юинг Г. В. Инструментальные методы химического анализа, пер. с англ., М.4 1963.

Периодические издания — Журнал аналитической химии, М., с 1946; Заводская лаборатория, М., с 1932; Лабораторная практика, М., с 1912; Реферативный журнал «Химия», М., с 1953.

Ф. М.Шемякин.

Источники:

1. Большая медицинская энциклопедия. Том 1/Главный редактор академик Б. В. Петровский; издательство «Советская энциклопедия»; Москва, 1974.- 576 с.