1.2. Аналитическая химия как наука

Наука «аналитическая химия» сформировалась в XVIII–XIX веках. Существует множество определений («дефиниций») этой науки. Наиболее кратким и очевидным является следующее: «Аналитическая химия – наука об определении химического состава веществ». Можно дать более точное и развернутое определение¹.

Аналитическая химия – наука, развивающая общую методологию, методы и средства изучения химического состава (а также структуры) веществ и разрабатывающая способы анализа разных объектов.

Объект и направления исследований. Объектом исследования аналитиков-практиков являются конкретные химические вещества. Объектом, который изучает аналитическая химия как наука, является процесс анализа в целом, а также те свойства веществ, те химические и физические процессы, которые можно использовать для получения информации о составе исследуемых материалов. Аналитическую химию обычно относят к прикладным наукам, но она имеет свой предмет фундаментальных исследований, не совпадающий с предметами других наук. Если для других химических наук основной интерес представляют типические (общие) свойства веществ, относящихся к тем или иным классам или группам, то для аналитической химии наиболее важны характеристические свойства веществ, отличающие каждый индивидуальный объект от других объектов того же класса. Например, общие свойства спиртов изучают химики-органи- ки, а способы определения спиртов в целом и каждого отдельного спирта (например, этанола) разрабатывают аналитики. Для этого они выявляют те особенности химических и физических свойств спиртов, которые отличают их от других органических соединений. Еще важнее выявить характеристические свойства отдельных спиртов – например, этанола, – отличающие их друг от друга. Изучение характеристических свойств индивидуальных объектов особенно важно в тех случаях, когда изучают материалы сложного состава, содержащие смеси родственных веществ.

Исследования в области аналитической химии в России преимущественно ведутся в научно-исследовательских институтах и в университетах. Цели этих исследований:

• развитие теоретических основ различных методов анализа;

• создание новых методов и методик, разработка аналитических приборов и реагентов;

• решение конкретных аналитических проблем, имеющих большое экономическое или социальное значение. Примеры таких проблем: создание способов аналитического контроля для ядерной энергетики и для производства полупроводниковых приборов (эти задачи были успешно решены в 50–70-е гг. ХХ века); разработка надежных способов оценки техногенного загрязнения окружающей среды (эта задача решается в настоящее время).

Научные исследования могут проводиться в рамках какого-то одного метода анализа (спектрального, хроматографического и т. п.), либо аналитики изучают проблемы, общие для нескольких или даже для всех методов. «Общеаналитическое» значение имеют: исследование форм, в которых существуют элементы и их соединения в тех или иных условиях; способы оценки точности результатов анализа; способы автоматизации анализов; создание стандартных образцов веществ с точно известным составом; разработка критериев для сопоставления разных методов анализа и для выбора наиболее подходящего метода и т. д.

Аналитическая химия в системе наук. В XVIII и первой половине XIX века аналитическая химия была основной частью единой химической науки. В дальнейшем, по мере развития органической и физической химии, аналитическая химия стала отдельной наукой, одной из ряда химических наук. Однако современную аналитическую химию уже нельзя считать только химической наукой. В конце ХХ века, когда физические методы анализа заняли «господствующее» положение, когда особую важность приобрели метрологические и математические аспекты анализа, наша наука стала междисциплинарной. Это не исключительное явление – такие междисциплинарные науки, как кибернетика и информатика, ведут свое начало от математики, но не являются чисто математическими науками.

Связи аналитической химии с другими науками имеют диалектический характер. С одной стороны, аналитическая химия всегда обеспечивала другие науки идеями и методами, подчас в очень значительной степени предопределяя успехи этих наук. На современном этапе своего развития аналитическая химия продолжает снабжать другие химические науки методиками и приборами для проведения исследований. То же относится к исследованиям в области экспериментальной физики, медицины и биологии. В частности, изучать механизмы метаболизма и наследственности на молекулярном уровне стало возможным только после создания точных и высокочувствительных методов химического анализа биологических объектов (биополимеров). С помощью аналитических методов экологи смогли оценить масштабы и выявить пути техногенного загрязнения окружающей среды. Достижения аналитической химии сыграли определенную роль даже в развитии гуманитарных наук (археология, искусствоведение и др.). Специалисты-аналитики неоднократно получали Нобелевские премии и за создание принципиально новых методов анализа (масс-спектрометрия, полярография, газожидкостная хроматография), и за фундаментальные достижения в области химии, физики и медицины (открытие изотопов, установление структуры сывороточных белков и т. п.), ставшие возможными в результате применения новых аналитических методов.

С другой стороны, аналитическая химия воспринимает и развивает знания, полученные в рамках смежных научных дисциплин. Разумеется, знания, полученные одной наукой и используемые другой, всегда существенно перерабатываются, подобно тому, как в организме продукты питания перерабатываются в новые соединения, а уже из них строятся собственные ткани организма. Эта аналогия подходит и для рассматриваемого случая. На основе творчески переработанных достижений других наук и собственных фундаментальных исследований аналитики выявляют общие закономерности химического анализа, создают новые методы и методики. Какие же достижения других наук использовали и используют аналитики?

Классические методы анализа базируются на применении основных понятий и законов химии (атомно-молекулярное учение, закон постоянства состава, закон сохранения массы веществ и др.). При разработке любых методик (детальных и последовательных описаний, как следует проводить тот или иной анализ) аналитики используют знания о свойствах веществ, накопленные в рамках неорганической и органической химии. Характеристические свойства элементов и их соединений аналитики выявляют с учетом места элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Протеканием различных процессов в ходе анализа управляют, учитывая законы термодинамики и химической кинетики, т. е. применяя знания из области физической химии.

Для аналитической химии очень важны математические методы и вычислительные алгоритмы. Особенно актуальны для аналитиков такие разделы математики, как алгебра, теория вероятностей и математическая статистика. Математика нужна не столько для расчета результата анализа (для этого часто достаточно обычной арифметики), сколько для моделирования и оптимизации физико-химичес- ких процессов, протекающих в ходе анализа. В конце ХХ века аналитическая химия получила новый импульс в своем развитии благодаря применению информационных технологий и вычислительной техники. На стыке аналитической химии, математики и информатики возникла новая область науки – хемометрика, ее предметом стало создание математических и компьютерных методов для решения химико-аналитических задач, извлечение максимума информации из экспериментальных данных.

Не меньшее значение для аналитической химии имеет и физика. Изучение физических явлений (например, диффузии, адсорбции, электролиза, преломления света) в прошлом не раз приводило к созданию новых аналитических методов (соответственно полярографии, хроматографии, кулонометрии, рефрактометрии) и новых аналитических приборов. Физические теории (например, квантовая механика) позволяют успешно прогнозировать спектры излучения и поглощения разных веществ, что исключительно важно для развития спектральных методов анализа. Множество сложных приборов, первоначально созданных физиками для научных исследований, стали со временем средствами проведения химического анализа (лазеры, плазмотроны, масс-спектрометры, генераторы СВЧ-излучения и даже ускорители элементарных частиц).

Для решения аналитических задач теперь стали довольно широко применяться биохимические реакции с участием ферментов, а также исключительно специфические реакции, протекающие по схеме «антиген – антитело» (иммуноанализ). Весьма перспективным способом получения информации о составе веществ оказалось изучение реакций живых клеток, тканей, органов и организмов на изменения в составе окружающей их среды. Естественно, соответствующие методы анализа создаются на базе достижений биологических наук.

Любая методика анализа включает разнообразные измерения. Современный анализ немыслим без измерительных приборов, без эталонов химического состава. Поэтому аналитическая химия тесно связана с наукой об измерениях и их погрешностях, т. е. с метрологией. Некоторые специалисты считают даже, что «аналитическая химия – дисциплина, лежащая между химией и метрологией». Весьма важные исследования ведут аналитики и на стыках с инженерными дисциплинами (приборостроение, управление качеством и т. п.).

Итак, теперь физика, математика, биология, метрология и некоторые другие «нехимические» науки оказались не менее значимыми для современной аналитической химии, чем смежные химические науки. В аналитических лабораториях сегодня работают и химики, и физики, и инженеры, и представители других наук. Все это подтверждает мысль о междисциплинарном характере современной науки о химическом анализе. Данное обстоятельство многие специалисты стараются подчеркнуть, используя для обозначения новой междисциплинарной науки термин аналитика. Классическая аналитическая химия, основанная на проведении химических реакций, в этом случае оказывается лишь составной частью аналитики, наряду с аналитической физикой, аналитической биологией, химической метрологией и другими «аналитическими» науками. Эта идея, выдвинутая Ю.А. Золотовым и некоторыми другими специалистами еще в 70-х гг. XX века, имеет серьезные обоснования, но не является общепринятой, гораздо чаще термины аналитика и аналитическая химия рассматриваются как синонимы, и этот подход представляется авторам настоящего учебника более правильным.