Глава 8 Анализ объектов окружающей среды и некоторых других объектов* 538

8.1. Анализ геологических объектов и металлов 539

8.2. Органические соединения 541

8.3. Объекты окружающей среды и показатели их состава 546

8.4. Отбор, консервирование и хранение проб воздуха и воды 551

8.5. Методы анализа объектов окружающей среды 554

8.6. Применение тест-методов в анализе объектов окружающей среды 557

Контрольные вопросы 560

Глава 9 Развитие аналитической химии и химического анализа 562

9.1. История аналитической химии 562

9.2. Особенности современного этапа в развитии аналитической химии 594

9.3. Применение компьютеров в аналитической химии* 599

9.4. Актуальные проблемы современной аналитической химии 608

Контрольные вопросы 612

Список рекомендуемой Литературы 614

Приложение 619

Аналитическая химия в школе (для студентов и преподавателей педвузов) 619

Предисловие для преподавателей

Учебная дисциплина «Аналитическая химия» – важная часть общепрофессиональной и естественнонаучной подготовки будущих химиков, учителей химии и биологии, фармацевтов, инженеров-технологов, агрономов и многих других специалистов. Базовый курс аналитической химии (далее – АХ) изучают десятки тысяч студентов не менее чем в 600 вузах РФ. Содержание курса, регламентируемое государственными образовательными стандартами (ГОС), рекомендациями учебно-методи- ческих объединений (УМО) и внутривузовскими рабочими программами, зависит от целого ряда факторов. Надо учитывать: практические задачи, которые встанут перед выпускником вуза; роль, место и объем курса в той или иной образовательной программе; подготовленность студентов к освоению, а преподавателей – к изложению того или иного материала; наличие учебной литературы, оборудования и т. п. Реальное содержание курса АХ в разных вузах сильно различается. Требуется множество учебников и учебных пособий, отличающихся не только по содержанию, но и по способу изложения учебного материала. Однако все учебники должны отражать один и тот же современный уровень развития аналитической химии как науки.

Старшему поколению преподавателей-аналитиков хорошо известны учебники В.Н. Алексеева, А.П. Крешкова, И.В. Пятницкого, Н.Я. Логинова и соавторов. Несмотря на различную направленность и неравноценность этих учебников, все они отражали уровень развития науки, достигнутый к 50–60-м гг. XX века. Основное внимание уделялось трем химическим методам анализа: прежде всего качественному анализу с применением групповых реагентов и цветных реакций, в меньшей степени – гравиметрии и титриметрии. Из теоретических вопросов детально рассматривались лишь способы управления ионными равновесиями, которые со времен Оствальда используются в химических методах элементного анализа неорганических веществ. Такой подход стал традиционным и привычным. Он имеет свои методические преимущества: позволяет закрепить и конкретизировать знания студентов, полученные при изучении неорганической и общей (физической) химии; не требует сложного и дорогого оборудования.

Однако к концу XX века аналитическая химия как наука ушла далеко вперед. Она сблизилась с физикой, метрологией, информатикой; приобрела междисциплинарный характер, т. е. перестала быть только частью химии. Изменился и арсенал методик, применяемых на практике для установления состава веществ. Теперь в аналитических лабораториях никто не проводит качественный анализ сплавов или минералов, пользуясь сероводородной (или какой-либо другой) схемой; соответствующую информацию гораздо проще получить спектроскопическими методами. В большинстве лабораторий не применяется и гравиметрия. Даже титриметрические определения, сохранившие свою практическую значимость, теперь проводят реже, чем 30–40 лет назад. Преимущественное положение в аналитических лабораториях к концу XX века заняли так называемые инструментальные методы (физические, физико-химические, биохимические), которым ранее в вузах должного внимания не уделялось. Некоторые инструментальные методы изучались, но кратко и поверхностно (фотометрия, потенциометрия, электрогравиметрия); другие только упоминались (атомно-эмиссионный спектральный анализ, газовая хроматография), а многие важные методы даже не упоминались (ферментативный анализ, атомная абсорбция, масс-спектрометрия). Практически не рассматривались и общетеоретические вопросы, связанные с инструментальными методами.

Проблема «чему учить студентов?» не сводится к соотношению классических и инструментальных методов анализа, она имеет и другие аспекты. Преподаватели российских вузов зачастую недостаточное внимание уделяют анализу органических веществ и объектов окружающей среды, метрологическим аспектам анализа, методам разделения и концентрирования микропримесей. Основное внимание они обращают на элементный анализ, пренебрегая вещественным, молекулярным, структурно-групповым и локальным, хотя в XX веке эти виды анализа стали не менее важными, чем элементный. В учебниках иногда ничего не говорится о реальных объектах анализа и о задачах, которые решают аналитики в своих лабораториях. А ведь с этими задачами сталкиваются не только профессионалы-аналитики, но и множество инженеров, врачей, фармацевтов, экологов, агрономов и других выпускников российских вузов!

Отставание традиционного содержания вузовского курса аналитической химии от современного уровня развития нашей науки, его отрыв от практики работы контрольно-аналитических лабораторий, безусловно, снижают качество подготовки специалистов. Это отставание все еще не преодолено. Особенно оно проявляется в педагогических и некоторых технических вузах. Там, как правило, нет отдельных кафедр аналитической химии, и соответствующий учебный курс нередко рассматривается как вспомогательный, как средство закрепления и углубления знаний по неорганической химии. Авторы устаревших программ и учебников обосновывают такой подход тем, что данные вузы не занимаются подготовкой специалистов-аналитиков¹. Но базовой курс аналитической химии на это не рассчитан даже в тех вузах, которые действительно готовят профессиональных аналитиков. Этот курс должен обеспечить достижение совсем других целей. Систематизируя и сопоставляя мнения ведущих специалистов, можно составить перечень задач, решаемых при преподавании курса АХ. В него входят:

• ознакомление с методами химического анализа и их возможностями;

• обоснование происхождения знаний о составе веществ, химизме и механизме химических реакций; формирование научного мировоззрения;

• изучение материала по химическим процессам, не входящего в другие учебные курсы (характеристические свойства атомов и молекул, комплексообразование в растворе, экстракция и др.);

• развитие и закрепление учебного материала других курсов, а также формирование знаний и умений, обеспечивающих последующее изучение других дисциплин;

• развитие творческих способностей, логики мышления, аккуратности и т. п.;

• обучение технике лабораторных работ и самостоятельному выполнению простейших анализов, работе на приборах, выбору методик, оценке точности результатов анализа и т. п.

От типа вуза зависит лишь приоритетность тех или иных целей, способы решения тех или иных задач. Определять приоритеты в каждом случае следует с учетом требований к выпускникам, изложенным в государственных стандартах².

Так, при изучении курса АХ в педагогических вузах на первое место, вероятно, следует ставить историко-методологический и ознакомительный аспекты. Сейчас многие выпускники педвузов хорошо знают, как устроены молекулы белков, как именно проходят реакции замещения в ароматических углеводородах, какой состав имеют атмосферы Марса и Венеры. Молодые учителя передают подобные знания своим ученикам, даже не представляя себе, откуда подобные знания стали известны человечеству, как можно проверить соответствующие утверждения учебников. Схоластика чисто книжного обучения учителей может и должна быть преодолена именно в ходе изучения курса АХ! В противном случае формируемая в сознании учащихся научная картина мира окажется недостаточно обоснованной. Важен и воспитательный аспект, который часто недооценивается. Собственноручное выполнение неслож- ных анализов предоставляет студенту педвуза уникальную возможность получить необходимые навыки («чувство вещества», умение работать с приборами) и развить ряд личностных качеств, которые невозможно выработать при изучении других учебных дисциплин.

Новые требования к содержанию курса АХ привели к изданию в 1995–2005 гг. серии учебников нового поколения, содержание которых было приближено к современному уровню аналитической химии как науки. Для классических университетов (специальность «Химия») издан двухтомный учебник, написанный специалистами МГУ под руководст- вом академика Ю.А. Золотова. Для химико-технологических вузов издан учебник В.П. Васильева (дополненное и переработанное издание). Появились новые учебники по курсу АХ для будущих фармацевтов и агрономов; вышли из печати практикумы, задачники и другая методическая литература нового поколения. Был издан и ряд переводных руководств, среди которых надо выделить европейский учебник под редакцией Р. Кельнера, Ж.-М. Мерме, M. Отто и М. Видмера. Наши студенты вряд ли смогут использовать эту книгу как базовый учебник, но зато она может быть настоящей энциклопедией современных методов анализа, хорошим пособием для специалистов, в том числе и для преподавателей аналитической химии.

Однако далеко не все российские студенты обеспечены новыми учебниками по курсу АХ. В частности, будущие учителя химии современных учебников не имеют. Уровень исходной подготовки студентов педагогических вузов не позволяет им эффективно использовать двухтомный учебник, вышедший под редакцией Ю.А. Золотова. К тому же он рассчитан на гораздо больший объем часов и не учитывает специфические требования действующих в педвузах стандартов и программ.

Не получили пока новых учебников и будущие бакалавры (как химики, обучающиеся в классических университетах, так и студенты нехимических вузов). А ведь очевидно, что при переходе к подготовке бакалавров содержание и методика изучения учебных дисциплин должны отличаться от традиционных схем хотя бы потому, что лишь часть бакалавров будет изучать специальные дисциплины в рамках специализации или магистратуры. Следовательно, базовые курсы (в частности, курс аналитической химии) должны предусматривать профориентационную и даже профессиональную подготовку бакалавров в большей степени, чем специалистов по одноуровневой схеме. Тенденция «профессионализации» курса АХ, изучаемого в рамках бакалавриата, характерна для европейских университетов. Участие России в болонском процессе требует, чтобы программы подготовки российских бакалавров (в том числе по АХ) были приближены к известным программам подготовки «евробакалавров».

Книга, которую сейчас держит перед собой читатель, предназначена сразу для нескольких образовательных программ. В качестве учебного пособия она будет полезна студентам классических университетов, особенно будущим бакалаврам. В некоторых отношениях она может дополнить двухтомный учебник, составленный специалистами МГУ. В частности, эту книгу можно будет использовать для первоначального (обзорного) знакомства студентов с современной аналитической химией. Заменить более обширные и глубокие учебники она не может хотя бы потому, что не охватывает всех разделов университетской программы.

Студенты-химики педагогических вузов, например, обучающиеся по специальности 050101.65 – Химия или по направлению 050101.62 – естественнонаучное образование (профиль – химия), а также студенты технических вузов, например обучающиеся по специальности 250400 – Химическая технология углеродных материалов и природных энергоносителей – смогут использовать данную книгу в качестве основного учебника. Программные требования к содержанию сравнительно небольшого курса АХ в педагогических и технических вузах довольно близки. В соответствии с действующими ГОСами на изучение курса АХ во всех этих вузах отводится порядка 100–150 аудиторных часов (примерно в 3 раза меньше, чем в классических университетах).

В данной книге, в отличие, например, от ранее издававшегося базового для педагогических вузов учебного пособия Н.Я. Логинова и соавторов, значительно сокращены разделы по химическим методам качественного анализа, в то же время усилено внимание к инструментальным методам и метрологическим аспектам анализа. Включены краткие сведения о хемометрике, сенсорах и многих других предметах, непривычных для преподавателей старшего поколения, но весьма важных для специалиста XXI века. Рассказывается о работе лабораторий, о способах решения некоторых химико-аналитических задач, о наиболее ярких достижениях аналитиков. Разделы, содержащие внепрограммный для педагогических вузов материал, помечены звездочкой, а сам текст этих разделов набран более мелким шрифтом. Вместо устаревшей терминологии использована рекомендуемая действующими нормативными документами, уточнены некоторые формулировки и обозначения. Усилено внимание к истории химического анализа. Введен большой раздел по методам и особенностям анализа объектов окружающей среды. Приведен аннотированный список дополнительной литературы

В виде приложения, ориентированного на студентов педвузов, даны развернутые рекомендации по методике изучения химического анализа в школе и внешкольных образовательных учреждениях. Рекомендации составлены на основе материалов, подготовленных канд. пед. наук Н.А. Ждан (Омский институт повышения квалификации работников образования) и заслуженным учителем РФ Н.А. Белан. Как видно из этих материалов, место химического анализа в школьном курсе химии в соответствии с новыми стандартами стало гораздо более значимым, и это должно быть принято во внимание при подготовке учителей химии в педвузах.

Ввести в эту книгу новый материал без увеличения общего объема книги и без перегрузки студентов можно было только за счет обобщения и частичного сокращения материала по химическим методам анализа. Но при перестройке содержания и методики преподавания курса АХ нельзя допускать ухудшения общехимической подготовки выпускников (по сравнению с ее нынешним уровнем). Углубление и конкретизация химических знаний остаются одной из важных задач курса АХ, независимо от того, в каком вузе данный курс изучается. Авторы данной книги стремились к достижению некоторого компромисса между разными задачами этого курса, а читатели смогут судить, удалось ли это.

Можно указать и специфические отличия этой книги от других учебников нового поколения. Например, от учебника, написанного специалистами кафедры аналитической химии МГУ, книга отличается по глубине и стилю изложения. Некоторые сложные или трудные для студентов разделы курса мы рассматриваем на качественном уровне, без математических выкладок и детальных физических обоснований. Однотипный материал, относящийся к разным методам анализа, дан только один раз, в обобщенной форме. Это касается расчета результатов анализа по величине аналитического сигнала, моделирования кривых титрования и некоторых других вопросов. Инструкции к лабораторным работам в эту книгу не включены – их с большим успехом можно представить в виде отдельных практикумов, учитывающих направленность образовательных программ и возможности конкретного вуза. По тем же причинам в книгу не включены расчетные задачи и справочные сведения, необходимые для их решения. После каждой главы приведены лишь вопросы для самоконтроля.

Авторы настоящего учебного пособия – преподаватели кафедры аналитической химии Омского государственного университета. Одновременно они преподают (или преподавали ранее) аналитическую химию в Омском государственном педагогическом университете. А именно: глава 6 и частично глава 8 написаны доцентом И.В. Власовой, главы 3 и 4 – доцентом И.А. Никифоровой, остальные главы – профессором В.И. Вершининым, взявшим на себя и общее редактирование книги.

Мы искренне надеемся, что наш труд будет полезен преподавателям кафедр аналитической химии российских вузов вне зависимости от того, какую именно образовательную программу осваивают студенты. Авторы благодарят всех, кто принимал участие в выработке плана настоящей книги (особенно заведующего кафедрой неорганической и аналитической химии Московского государственного областного университета проф. Ю.М. Дедкова) либо оказал содействие при подготовке рукописи к печати. Большое значение имели ценные замечания, предложения или даже дополнения, которые сделали для данной книги академик РАН Ю.А. Золотов, проф. Э.Р. Оскотская, проф. Р.К. Чернова, проф. Т.Н. Шеховцова и другие специалисты. В частности, материалы Т.Н. Шеховцовой послужили основой раздела 4.8, посвященного кинетическим и биохимическим методам.

Мы приносим благодарность рецензентам – специалистам кафедры аналитической химии и химической экологии Саратовского госуниверситета (зав. кафедрой – д-р хим. наук, проф. Р.К. Чернова) и начальнику управления образовательных программ Омского гос. педуниверситета канд. хим. наук, доц. Э.М. Анфингеру, а также проректору ОмГУ проф. В.В. Дубицкому. Авторы будут признательны всем преподавателям и специалистам, которые пожелают сообщить нам свои замечания и предложения (по электронной почте, используя адрес vershin@univer.omsk.su). Все замечания будут внимательно рассмотрены и с благодарностью учтены при новом издании этой книги.

Авторы.

Сентябрь 2006 г.