Глава 1. Аналитическая химия как наука

1.1. Предмет и методы аналитической химии. Качественный и количественный анализ

Аналитическая химия – это наука о методах определения качественного и количественного состава веществ и их смесей по наличию и интенсивности аналитического сигнала. Аналитическим сигналом может быть, например, образование осадка, изменение окраски, появление линии в спектре. Появление аналитического сигнала принято связывать с качественным обнаружением компонента, а его величину (интенсивность) – с количественным содержанием. В большинстве методов интенсивность аналитического сигнала – это среднее из измерений физической величины, функционально связанной с содержанием определяемого компонента.

Аналитическая химия разрабатывает теоретические основы химического анализа. Термин химический анализ подразумевает совокупность действий, которые имеют своей целью получение информации о химическом состава объекта.

Химический анализ делится на качественный и количественный анализ. Предметом качественного анализа является идентификация компонентов и определение качественного состава веществ или их смесей.

Задача количественного анализа – определение количественного содержания составных частей вещества. Можно сказать, что качественный анализ отвечает на вопрос – «какой?», а количественный – «сколько?»

Исследуя новое соединение, прежде всего устанавливают из каких компонентов оно состоит, а затем находят их количественные соотношения. Поэтому качественный анализ предшествует количественному. Если качественный анализ известен, сразу приступают к качественному, выбрав наиболее подходящий метод.

Необходимо отметить, что деление на качественный и количественный анализ в некоторой степени условно. Чисто качественное обнаружение веществ или элементов («обнаружен» или «не обнаружен) имеет смысл только для общей характеристики объекта анализа, например, для решения вопроса о том, есть ли уран в данной руде, ртуть в фармацевтических препаратах. Существует некий порог концентраций или количеств, выше которого компонент может быть обнаружен (если он есть в объекте). Ответ «не обнаружен» не означает, что этого компонента вообще нет в объекте, просто выбранным методом он не обнаруживается. При определении микропримесей грань между качественным и количественным анализом подчас стирается.

Теоретическую основу химического анализа составляет ряд физико-химических законов и прежде всего периодический закон Д.И. Менделеева, а также основные теоретические положения общей химии: закон действующих масс, теория электролитической диссоциации, химическое равновесие в гетерогенных системах, комплексообразование, амфотерность, автопротолиз, окислительно-восстановительные реакции и т.д.

Классификация видов химического анализа может быть основана на различных принципах. Так, по природе анализируемых веществ или частиц анализ делят на неорганический, органический, элементный, молекулярный, вещественный, фазовый, функциональный. Можно предложить и другие классификации видов анализа: валовой – локальный; деструктивный – недеструктивный; дискретный – непрерывный. По объему или массе пробы различают макро-, полумикро-, микро-, ультрамикро- и субмикроанализы.

Для получения сигнала используют химические реакции разных типов (кислотно-основные, окислительно-восстановительные, комплексообразования), разные процессы, например, осаждение, а также разнообразные химические, физические и даже биологические свойства самих веществ или продуктов их реакций. Поэтому аналитическая химия располагает различными методами для решения своих задач: химическими, физическими, физико-химическими и биологическими.

В химических методах обнаружения сигнал, возникающий в результате химической реакции (образование осадка, изменение окраски, выделение газа), наблюдают главным образом визуально. Химические процессы, используемые в целях анализа называют аналитическими реакциями. В физических методах аналитический сигнал, как правило, получают и регистрируют с помощью специальной аппаратуры. Такое деление несколько условно: между методами обеих групп нет резкой границы. Как в химических, так и в физических методах качественное и количественное определение составных частей анализируемого материала основано на наблюдении и измерении какого-либо физического свойства системы (электропроводности, плотности, массы, объема, интенсивности окраски и т.д.). Но в физических методах химические реакции не проводят, а сразу измеряют свойства материала. В физико-химических методах предварительно проводят химическую реакцию или следят за ее ходом с помощью прибора, регистрирующего физическое свойство.

Часто физические и физико-химические методы объединяют называя инструментальными.

Многие химические методы стали классическими и хорошо проверены. Тем не менее, они не всегда удовлетворяют современным требованиям, особенно при проверке чистоты вещества (например, германий для полупроводников пригоден, если на 10 млн его атомов приходится не более одного атома примеси – фосфора, мышьяка, сурьмы). Большинство химических методов по чувствительности недостаточны для обнаружения или количественного определения таких примесей. Этим требованиям в значительной степени удовлетворяют некоторые инструментальные методы. Кроме высокой чувствительности эти методы характеризуются высокой скоростью определения (экспресcностью), что важно при контроле технологических процессов и экологической ситуации. Однако большинство инструментальных методов менее точны, чем химические.