Глава 1 Аналитическая химия и химический анализ

1.1. Химический анализ

Возникновение анализа. Люди с древних времен пытались узнать, из чего состоят объекты окружающего их мира. Причиной было не только естественное любопытство; практика показала, что знания о составе веществ позволяют предугадать свойства этих веществ и правильно их использовать, а также – и это особенно важно! – получать новые вещества с заданными свойствами. Еще за несколько тысячелетий до н. э. люди умели выплавлять из некоторых минералов медь и железо; они догадывались, что металлы содержатся в таких минералах изначально, только в скрытой форме, подобно соли в морской воде. В древнем Египте умели изготавливать сплавы, содержащие сразу несколько металлов, и понимали, что свойства сплава определяются тем, какие металлы и в каком соотношении находятся в этом сплаве. Так, свойства и ценность золотых изделий зависят от того, насколько велико в них содержание примесей – серебра и меди.

С развитием ремесла и торговли потребовались способы определения состава смесей и сложных веществ. Сведения о таких способах приведены в древних рукописях, даже в Библии. Состав золотых изделий узнавали по изменению их веса и цвета после прокаливания («испытание огнем»); содержание металла в руде определяли, проводя пробную плавку; содержание соли в воде определяли, взвешивая сухой остаток после выпаривания пробы. Так возникло «пробирное искусство» – начальная форма химического анализа, первый этап в его многовековой истории. Более детально история анализа будет рассмотрена в главе 9.

Ремесленники и торговцы веками использовали эмпирические приемы пробирного искусства, но не могли объяснить и обобщить их. Состав веществ в те времена еще не был предметом научных исследований. Древнегреческие философы (Эмпедокл, Демокрит и другие) предполагали, что реальные вещества имеют некоторую внутреннюю структуру, состоят из мельчайших неделимых частичек – атомов, причем все атомы чистого вещества одинаковы, а атомы разных веществ различны по своим размерам и свойствам. Но древнегреческие ученые не пытались определять состав и структуру реальных веществ опытным путем¹. Не занимались этим и алхимики, пытавшиеся превращать одни вещества в другие (например, медь и свинец в золото).

Лишь в XVII веке английский ученый Роберт Бойль указал, что установление состава веществ должно быть основной целью химических исследований. Составными частями всех веществ, с точки зрения Бойля, являются те «элементы», на которые можно разложить исходные вещества, но которые далее разложить уже невозможно. Бойль ввел новое понятие «химический анализ», понимая его как разложение веществ с целью определения их состава. Однако со временем оказалось, что состав смесей или сложных соединений можно узнать и без их полного разложения. Поэтому современное понимание термина «анализ» отличается от того смысла, который вкладывал в него Бойль. А именно:

Химическим анализом называют получение информации о составе и структуре веществ, независимо от того, каким именно способом получают такую информацию.

Одни способы (методы) анализа основаны на проведении химических реакций со специально добавляемыми реагентами, в других – химические реакции играют вспомогательную роль, третьи – вовсе не связаны с протеканием реакций. Но результатом анализа в любом случае является информация о химическом составе вещества, т. е. о природе и о количественном содержании входящих в него атомов и молекул. Это обстоятельство подчеркивают, используя прилагательное «химический» в словосочетании «химический анализ».

Кроме определения состава веществ, нередко требуется установить, насколько равномерно распределен в исследуемом твердом веществе какой-либо элемент, существуют ли в этом веществе участки с разным составом или разной кристаллической решеткой. Для органических веществ важнейшей структурной характеристикой является строение их молекул. Так, анализируя белки, выясняют последовательность расположения разных аминокислот в полипептидных цепочках (первичную структуру). Анализируя ДНК, изучают последовательность расположения нуклеотидов в макромолекуле. Но изучение структуры веществ является задачей химиков-аналитиков лишь отчасти. Аналитики не изучают распределение электронной плотности в атомах, не занимаются структурой атомов или атомных ядер, хотя эти вопросы тоже входят в понятие «структура вещества». Такие исследования составляют предмет других наук, прежде всего физики.

Значение анализа. В XVIII и первой половине XIX века европейскими учеными были созданы классические методы анализа, основанные на проведении химических реакций. В это время анализ стал важнейшим способом объективного научного исследования, способом познания природы. С помощью химико-аналитических методов были открыты химические элементы, детально исследованы свойства элементов и их соединений, определен состав множества природных веществ. Многочисленные анализы позволили установить основные законы химии (закон постоянства состава, закон сохранения массы веществ, закон эквивалентов и др.), подтвердили атомно-молекулярное учение. Анализ стал средством научного исследования не только в химии, но и в геологии, биологии, медицине и других науках. Значительную часть знаний о природе, которые накопило человечество со времен Бойля, оно получило именно путем химического анализа.

Возможности аналитиков резко возросли во второй половине XIX и особенно в XX веке, когда было создано множество физических методов анализа. Они позволяли решать такие задачи, которые не удавалось решить классическими методами. Ярким примером могут быть знания о составе Солнца и звезд, полученные еще в конце XIX века методом спектрального анализа. Столь же ярким примером на рубеже XX и XXI веков стала расшифровка строения одного из генов человека. В этом случае исходная информация была получена методом масс-спектрометрии.

Но химический анализ – это не только способ научного исследования. Еще в XIX веке его стали широко применять на промышленных предприятиях, контролируя таким способом технологические процессы. В настоящее время методы аналитического контроля используют в металлургии и нефтепереработке, в атомной энергетике и пищевой промышленности, в производстве стройматериалов и удобрений, при изготовлении лекарственных препаратов и в других отраслях народного хозяйства. Методы химического анализа оказались весьма важными для сельскохозяйственного производства, для диагностики и профилактики заболеваний, для раскрытия преступлений. Особое значение для современного общества приобрел анализ объектов окружающей среды (природные воды, воздух, почва и т. п.).

Разработка конкретных методик и развитие химического анализа возможны только на основе специальных научных исследований. Теоретическим фундаментом химического анализа стала отдельная наука – аналитическая химия.