Дніпродзержинський енергетичний технікум

    Кількісний аналіз — сукупність методів визначення кількісного складу тіл, тобто кількісних співвідношень, в яких знаходяться хімічні елементи або окремі з'єднання в аналізованій речовині. Найважливішою характеристикою кожного методу кількісного аналізу є, поряд із специфічністю і чутливістю, точність. Точність аналізу виражається значенням відносної помилки, яка не повинна в більшості випадків перевищувати 1—2%. Чутливість в кількісному аналізі виражають у відсотках.

 

    Багато сучасних методів володіють вельми високою чутливістю. Так, методом аналізу радіоактивації можна встановити наявність міді в кремнії з точністю до 2´10 -8 %.

 

    Через деякі специфічні особливості в А. х. прийнято виділяти аналіз органічних речовин (див. нижчий).

 

  Особливе місце в А. х. займає той, що грунтується на всій сукупності методів якісного і кількісного неорганічного і органічного аналізу в додатку їх до того або іншого конкретного об'єкту. Технічний аналіз включає аналітичний контроль процесів виробництва, сировини, готової продукції, води, повітря, газів, що відходять, і так далі Особливо велика потреба в «експресних» методах технічного аналізу, що вимагають 5—15 мин. для окремого визначення.

 

  Визначення придатності того або іншого продукту для потреб людини має настільки ж древню історію, як і само його виробництво. Первинне таке визначення мало на меті встановлення причин невідповідності властивостей продуктів, що набували, бажаним або необхідним. Це відносилося до продуктів харчування — таким, як хліб, пиво, вино і ін., для випробування яких використовувалися смак, запах, колір (ці методи випробування, звані органолептичними, застосовуються і в сучасній харчовій промисловості). Сировина і продукти древньої металургії — руди, метали і сплави які застосовували для виготовлення знарядь виробництва (мідь, бронза, залізо) або для прикраси і товарообміну (золото, срібло), випробовувалися по їх щільності, механічним властивостям за допомогою пробних плавок. Сукупністю подібних методів випробування благородних сплавів користуються і до цих пір в пробірному аналізі. Визначалася доброякісність фарбників, керамічних виробів, мила, шкіри, тканин, скла, лікарських препаратів. В процесі такого аналізу стали розрізнятися окремі метали (золото, срібло, мідь, олово, залізо), луги, кислоти.

 

  Методи А. х. мали виняткове значення у встановленні основних законів хімії (див. Постійність складу закон, Кратних стосунків закон ) уточненні поняття про хімічний елемент і ін.

 

  В алхімічний період розвитку хімії (див. Алхімія ), що характеризувався розвитком експериментальних робіт, збільшилося число розрізняних металів, кислот, лугів, виникло поняття про сіль, сірку як горючу речовину і так далі В цей же період було винайдено багато приладів для хімічних досліджень, застосовано зважування досліджуваних і використовуваних речовин (14—16 вв.(століття)).

 

  Головне ж значення алхімічного періоду для майбутнього А. х. полягало в тому, що були відкриті чисто хімічні методи розрізнення окремих речовин; так, в 13 ст було виявлено, що «міцна горілка» (азотна кислота) розчиняє срібло, але не розчиняє золото, а «царська горілка» (суміш азотної і соляної кислот) розчиняє і золото. Алхіміки поклали початок хімічним визначенням; до цього для розрізнення речовин користувалися їх фізичними властивостями.

 

  В період іатрохимії (16—17 вв.(століття)) ще більш збільшився питома вага хімічних методів дослідження, особливо методів «мокрого» якісного дослідження речовин, що переводяться в розчини: так, срібло і соляна кислота розпізнавалися по реакції освіти ними осідання в азотнокислому середовищі; користувалися реакціями з утворенням забарвлених продуктів, наприклад залоза з дубильними речовинами.

 

  Почало науковому підходу до хімічного аналізу поклав англійський учений Р. Бойль (17 ст), коли він, відокремивши хімію від алхімії і медицини і став на грунт хімічного атомізму, ввів поняття хімічного елементу як нерозкладній далі складовій частині різних речовин. Згідно Бойлю, предметом хімії є вивчення цих елементів і способів їх з'єднання для утворення хімічних сполук і сумішей. Розкладання речовин на елементи Бойль і назвав «аналізом». Весь період алхімії і іатрохимії був в значній мірі періодом синтетичній хімії; були отримані багато неорганічних і деякі органічні сполуки. Але оскільки синтез був тісно пов'язаний з аналізом, провідним напрямом розвитку хімії в цей час був саме аналіз. Нові речовини виходили в процесі усе більш витонченого розкладання природних продуктів.

 

  Т. о., майже до середини 19 ст хімія розвивалася переважно як А. х.; зусилля хіміків були направлені на розробку методів визначення якісно різних початків (елементів), на встановлення кількісних законів їх взаємодії.

 

  Велике значення в хімічному аналізі мала диференціація газів, що вважалися раніше однією речовиною; почало цим дослідженням належало голландським ученим ван Гельмонтом (17 ст), що відкрив вуглекислий газ.(газета) Найбільших успіхів в цих дослідженнях досягли Дж. Прістлі, До. Ст Шеєле, А. Л. Лавуазье (18 ст). Експериментальна хімія отримала тверду основу у встановленому Лавуазье законі збереження маси речовин при хімічних операціях (1789). Правда, ще раніше цей закон в загальнішій формі висловив М. В. Ломоносов (1758), а шведський учений Т. А. Бергман користувався збереженням маси речовин для цілей хімічного аналізу. Саме Бергману належить заслуга створення систематичного ходу якісного аналізу, при якому переведені в розчинений стан досліджувані речовини потім розділяються на групи з допомогою реакцій осадження реагентами і далі дробляться на ще менші групи аж до можливості визначення кожного елементу окремо. Як основні групові реактиви Бергман запропонував сірководень і луги, якими користуються і до цих пір. Він також систематизував якісний аналіз «сухим дорогою», за допомогою нагрівання речовин, яке приводить до утворення «перлів» і нальотів різного кольору.

 

  Подальше вдосконалення систематичного якісного аналізу було виконано французькими хіміками Л. Вокленом і Л. Же. Тенаром, німецькими хіміками Г. Розе і К. Р. Фрезеніусом, російським хіміком Н. А. Меншуткиним. У 20—30-і рр. 20 ст радянський хімік Н. А. Тананаєв, грунтуючись на наборі хімічних реакцій, що значно розширився, запропонував дробовий метод якісного аналізу, при якому відпадає необхідність систематичного ходу аналізу, розділення на групи і вживання сірководня.

 

  Кількісний аналіз спочатку грунтувався на реакціях осадження визначуваних елементів у вигляді малорозчинних з'єднань, масу яких далі зважували. Цей ваговий (або гравіметричний) метод аналізу також значно удосконалився з часів Бергмана, головним чином за рахунок поліпшення вагів і техніки зважування і використання різних реактивів, зокрема органічних, створюючих найменш розчинні з'єднання. У 1-ій чверті 19 ст французький учений Ж. Л. Гей-Люссак запропонував об'ємний метод кількісного аналізу (волюмометрічеський), в якому замість зважування вимірюють об'єми розчинів взаємодіючих речовин. Цей метод, званий також методом титрування або титриметричним, до цих пір є основним методом кількісного аналізу. Він значно розширився як за рахунок збільшення числа використовуваних в нім хімічних реакцій (реакції осадження, нейтралізації, комплексообразованія окислення-відновлення), так і за рахунок використання безлічі індикаторів (речовин, вказуючих змінами свого кольору на закінчення реакції між взаємодіючими розчинами) і ін. засобів індикації (за допомогою визначення різних фізичних властивостей розчинів, наприклад електропровідності або коефіцієнта заломлення).

 

  Аналіз органічних речовин, що містять як основні елементи вуглець і водень, за допомогою спалювання і визначення продуктів згорання — вуглекислого газу і води — вперше був проведений Лавуазье. Далі він був покращуваний Ж. Л. Гей-Люссаком і Л. Ж. Тенаром і Ю. Лібіхом. У 1911 австрійський хімік Ф. Прегль розробило техніку мікроаналізу органічних сполук, для проведення якого вистачає декілька міліграм вихідної речовини. Зважаючи на складну побудову молекул органічних речовин, великі їх розміри (полімери), яскраво вираженій ізомерії органічний аналіз включає в себе не лише елементний аналіз — визначення відносних кількостей окремих елементів в молекулі, але і функціональний — визначення природи і кількості окремих характерних атомних угрупувань в молекулі. Функціональний аналіз заснований на характерних хімічних реакціях і фізичних властивостях з'єднань, що вивчаються.

 

  Майже до середини 20 ст аналіз органічних речовин, через свою специфічність, розвивався своїми, відмінними від неорганічного аналізу дорогами і в учбових курсах не включався в А. х. Аналіз органічних речовин розглядався як частина органічної хімії. Але потім, у міру виникнення нових, головним чином фізичних, методів аналізу, широкого вживання органічних реактивів в неорганічному аналізі обидві ці гілки А. х. стали зближуватися і нині представляють єдину загальну наукову і учбову дисципліну.

 

  А. х. як наука включає теорію хімічних реакцій і хімічних властивостей речовин і як така вона в перший період розвитку загальної хімії збігалася з нею. Проте в 2-ій половині 19 ст, коли в хімічному аналізі домінуюче положення зайняв «мокрий метод», тобто аналіз в розчинах, головним чином водних, предметом А. х. стало вивчення лише таких реакцій, які дають аналітично коштовний характерний продукт — нерозчинне або забарвлене з'єднання, що виникає в ході швидкої реакції. У 1894 німецький учений В. Оствальд вперше виклав наукові основи А. х. як теорію хімічної рівноваги іонних реакцій у водних розчинах. Ця теорія, доповнена результатами всього подальшого розвитку іонної теорії, стала основою А. х.

 

  Роботами російських хіміків М. А. Ільінського і Л. А. Чугаєва (кінець 19 ст — почало 20 ст) було покладене початок вживанню органічних реактивів, що характеризуються великою специфічністю і чутливістю, в неорганічному аналізі.

 

  Дослідження показали, що для кожного неорганічного іона характерна хімічна реакція з органічною сполукою, що містить певне функціональне угрупування (т.з. функціонально-аналітичну групу). Починаючи з 20-х рр. 20 ст в хімічному аналізі стала зростати роль інструментальних методів, що знову повертали аналіз до дослідження фізичних властивостей аналізованих речовин, але не тих макроскопічних властивостей, якими оперував аналіз в період до створення науковій хімії, а атомних і молекулярних властивостей. Сучасна А. х. широко користується атомними і молекулярними спектрами випромінювання і поглинання (видимі, ультрафіолетові, інфрачервоні, рентгенівські, радіочастотні і гамма-спектри), радіоактивністю (природна і штучна), мас-спектрометрією ізотопів, електрохімічними властивостями іонів і молекул, адсорбційними властивостями і ін. (див. Колориметрія, Люмінесценція, Мікрохімічний аналіз, Нефелометрія, Активаційний аналіз, Спектральний аналіз, Фотометрія, Хроматографія, Електронний парамагнітний резонанс, Електрохімічні методи аналізу ) . Вживання методів аналізу, заснованих на цих властивостях, однаково успішно в неорганічному і органічному аналізі. Ці методи значно заглиблюють можливості розшифровки складу і структури хімічних сполук, якісного і кількісного їх визначення; вони дозволяють доводити чутливість визначення до 10 -12 — 10 -15 % домішки, вимагають малої кількості аналізованої речовини, часто можуть служити для т.з. неруйнівного контролю (тобто що не супроводиться руйнуванням проби речовини), можуть служити основою для автоматизації процесів виробничого аналізу.

 

  В той же час широке поширення цих інструментальних методів ставить нові завдання перед А. х. як наукою, вимагає узагальнення методів аналізу не лише на основі теорії хімічних реакцій, але і на основі фізичної теорії будови атомів і молекул.

 

  А. х., що виконує важливу роль в прогресі хімічної науки, має також величезне значення в контролі промислових процесів і в сільському господарстві. Розвиток А. х. у СРСР тісно пов'язано з індустріалізацією країни і подальшим загальним прогресом. У багатьох вузах організовані кафедри А. х., що готують висококваліфікованих хіміків-аналітиків. Радянські учені розробляють теоретичні основи А. х. і нові методи для вирішення наукових і практичних завдань. З виникненням таких галузей, як атомна промисловість, електроніка, виробництво напівпровідників, рідких металів, космохімія, одночасно з'явилася необхідність розробки нових тонких і якнайтонших методів контролю чистоти матеріалів, де у багатьох випадках вміст домішок не повинен перевищувати одного атома на 1—10 млн. атомів вироблюваного продукту. Всі ці проблеми успішно вирішуються радянськими хіміками-аналітиками. Удосконалюються також і старі методи хімічного контролю виробництва.