Цель работы: познакомиться с историей развития аналитической химии.
Задачи:
- познакомиться с понятием аналитическая химия, рассмотреть основные направления, выявить методы аналитической химии;
- исследовать основные этапы развития и становления науки;
- познакомиться с развитием аналитической химии в России;
- собрать материал и изучить биографию великого русского аналитика – Курнакова Н.С.
- подготовить материал к выступлению на научно-практической конференции (районной и школьной).
Методы исследования:
- Аналитический
- Работа с научной литературой
- Научный эксперимент
- Публицистический.
Актуальность темы:
- Повысить роль российской науки в мировоззрении школьников;
- Научиться применять простейшие аналитические методы в быту.
Введение
Аналитическая химия, наука об определении
химического состава веществ и, в некоторой
степени, химическим строения соединений.
Аналитическая химия развивает общие
теоретические основы химического анализа,
разрабатывает методы определения компонентов
изучаемого образца, решает задачи анализа
конкретных объектов.
Основная цель аналитической химии — обеспечить
в зависимости от поставленной задачи точность,
высокую чувствительность, экспрессность и (или)
избирательность анализа. Разрабатываются
методы, позволяющие анализировать микрообъекты
(Микрохимический анализ), проводить локальный
анализ (в точке, на поверхности и т.д.), анализ без
разрушения образца (Неразрушающий анализ), на
расстоянии от него (дистанционный анализ),
непрерывный анализ (например в потоке), а также
устанавливать, в виде какого химического
соединения и в составе какой фазы существует в
образце определяемый компонент (фазовый анализ).
Важные тенденции развития аналитической химии —
автоматизация анализов, особенно при контроле
технологических процессов (Автоматизированный
анализ), и математизация, в частности широкое
использование ЭВМ.
Можно выделить три крупных направления
аналитической химии: общие теоретические основы;
разработка методов анализа; аналитическая химия
отдельных объектов. В зависимости от цели
анализа различают качественный анализ и
количественный анализ. Задача первого —
обнаружение и идентификация компонентов
анализируемого образца, второго — определение
их концентраций или масс. В зависимости от того,
какие именно компоненты нужно обнаружить или
определить, различают изотопный анализ,
элементный анализ, структурно-групповой (в т. ч.
функциональный анализ), молекулярный анализ,
фазовый анализ.
По природе анализируемого объекта различают
анализ неорганических и органических веществ.
В теоретических основах аналитической химии,
существенное место занимает метрология
химического анализа, в том числе статистическая
обработка результатов. Теория аналитической
химии включает также учение об отборе и
подготовке аналитических проб, о составлении
схемы анализа и выборе методов, принципах и путях
автоматизации анализа, применения ЭВМ, а также
основы народнохозяйственного использования
результатов химического анализа Особенность
аналитической химии – изучение не общих, а
индивидуальных, специфических свойств и
характеристик объектов, что обеспечивает
избирательность многих аналитических методов.
Благодаря тесным связям с достижениями физики,
математики, биологии и различных областей
техники (это особенно касается методов анализа)
аналитическая химия превращается в дисциплину
на стыке наук.
В Аналитической химии различают методы
разделения, определения (обнаружения) и
гибридные, сочетающие методы первых двух групп.
Методы определения подразделяют на химические
методы анализа (гравиметрический анализ,
титриметрия), физико-химические методы анализа
(например, электрохимический, фотометрический,
кинетический), физические методы анализа
(спектральные, ядерно-физические и др.) и
биологические методы анализа. Иногда методы
определения делят на химические, основанные на
химических реакциях, физические, базирующиеся на
физических явлениях, и биологические,
использующие отклик организмов на изменения в
окружающей среде.
Практически все методы определения основаны на
зависимости каких-либо доступных измерению
свойств веществ от их состава. Поэтому важное
направление аналитической химии — отыскание и
изучение таких зависимостей с целью
использования их для решения аналитических
задач. При этом почти всегда необходимо найти
уравнение связи между свойством и составом,
разработать способы регистрации свойств
(аналитического сигнала), устранить помехи со
стороны компонентов, исключить мешающее влияние
факторов (например, флуктуации температуры).
Величину аналитического сигнала переводят в
единицы, характеризующие количество или
концентрацию компонентов. Измеряемыми
свойствами могут быть, например, масса, объем,
светопоглощение.
Большое внимание уделяется теории методов
анализа. Теория химических и частично
физико-химических методов базируется на
представлениях о нескольких основных типах
химических реакций, широко используемых в
анализе (кислотно-основных,
окислительно-восстановительных,
комплексообразования), и нескольких важных
процессах (осаждения -растворения, экстракции).
Внимание и этим вопросам обусловлено историей
развития аналитической химии и практической
значимостью соответствующих методов. Поскольку,
однако, доля химических методов уменьшается, а
доля физико-химических и физических методов
растет, большое значение приобретает
совершенствование теории методов двух последних
групп и интегрирование теоретических аспектов
отдельных методов в общей теории аналитической
химии.
Краткий исторический очерк
Существует мнение, что интерес к истории
дисциплины возрастает в периоды, когда данная
наука переживает если не застой, то, во всяком
случае, развивается спокойно, эволюционно. Во
времена же “бури и натиска”, когда одно открытие
опережает другое, когда спешат проверить и
реализовать возможности рождающихся друг за
другом методов, — в такие времена, говорят, не до
истории.
В таком высказывании есть логический смысл,
однако изучать историю науки необходимо и в
бурные периоды развития; специалист должен быть
знаком с историей. Знание истории науки
вооружает ученого методологически. Знание
истории своей дисциплины укрепляет любовь к
науке, приобщает к ней. Многие ученые, к мнению
которых стоит прислушаться, полагали, что
изучение истории служит даже инструментом
развития науки сегодняшней. В. И. Вернадский,
например, писал, что “история науки является ...
орудием достижения нового”.
“Наука захватывает нас только тогда, когда,
заинтересовавшись жизнью великих
исследователей, мы начинаем следить за историей
их открытий” (Д. К. Максвелл).
Аналитическая химия — в известной степени
первооснова всей химии, эту мысль мы встречаем у
многих историков химической науки. Например,
открытие новых элементов — ведь это
аналитическая задача. Во всяком случае, так было
до последнего времени, когда новые элементы
стали “делать” физики-ядерщики, да и то без
химико-аналитической методологии обойтись они
не могут.
Аналитическая химия прошла большой исторический
путь. Можно выделить следующие периоды: наука
древних; алхимия (IV-XVI вв.), иатрохимия (XVI-XVII вв.),
эпоха флогистона (XVII-XVIII вв.), период научной химии
(XIX-XX вв.); современный период.
Анализ в древности. Химический анализ проводится
с незапамятных времен. Первый аналитический
прибор — весы — известен с глубокой древности.
Анализу подвергали руды, сплавы, изделия из
драгоценных металлов. У римского историка Плиния
описана методика анализа золота, еще раньше об
оценке содержания золота писал император
Вавилона. Плиний пишет об использовании
экстракта дубильных орешков в качестве реактива.
С помощью папируса, пропитанного экстрактом,
отличали медь от железа (в растворе сульфата
железа папирус чернел). В древности умели
определять концентрацию по удельному весу; само
понятие “удельный вес” известно по крайней мере
со времен Архимеда. По-видимому, вторым по
времени появления аналитическим прибором был
ареометр, он описан в трудах древнегреческих
ученых.
В произведении Теофраста “О камнях” говорится
об определении золота с помощью так называемого
пробного, или пробирного, камня; способ этот
применяется и до сих пор, например в инспекциях
пробирного надзора.
Во времена алхимии выполнен огромный объем
экспериментальных работ, что обеспечило
развитие техники химических операций и
накопление обширной конкретной информации о
свойствах веществ. Было найдено много способов
различать вещества. Был отработан метод
определения золота и серебра, основанный на
“пробирной плавке” — плавлении в присутствии
восстановителя и металла-носителя (обычно
свинца), в расплаве которого хорошо растворяются
драгоценные металлы. Во Франции в XIV в. этот
способ был детально описан в королевском декрете
Филиппа VI (1343 г.) — всем было предписано
пользоваться именно этим методом.
Получил дальнейшее развитие метод пробного
камня; суть его заключается в том, что изделиями
из золота на поверхности пробного камня наносят
царапины. Их цвет, точнее оттенок, и толщина
зависят от содержания золота. В средние века
стали использовать шкалу из 24 игл с разным
содержанием золота.
Для анализа стали использовать растворы. Были
открыты цинк, сурьма и висмут.
В период иатрохимии появились новые способы
обнаружения веществ, основанные на переводе их в
раствор. Например, была открыта реакция серебра с
хлорид-ионами. Как пишут Ф. Сабадвари и А.
Робинсон, авторы книги “История аналитической
химии”, в этот период было открыто большинство
химических реакций, использованных впоследствии
при разработке классической схемы качественного
анализа. Монах Василий Валентин ввел понятия
“осаждение”, “осадок”.
Существенное место в истории аналитической
химии занимает английский ученый Роберт Бойль
(XVII в.), который ввел термин “химический анализ”.
Со времен Р. Бойля и до первой половины ХIX в.
аналитическая химия была основной частью химии.
Р. Бойль систематически использовал экстракты
растений (лакмус, фиалка и др.) и животных тканей
для определения кислотности и щелочности
растворов; например, он установил, что в щелочном
растворе экстракт фиалки становится зеленым.
Известное с древних времен свойство экстракта
дубильных орешков окрашиваться в присутствии
железа и меди было дополнено наблюдением, что
интенсивность возникающей при этом окраски
связана с содержанием металла в растворе.
Известно, что Бойль судил о составе осадков по
форме образующихся кристаллов; он проводил
фракционную кристаллизацию. Бойль отделил химию
от медицины, это был конец эпохи иатрохимии.
Крупнейшим аналитиком XVIII в. был шведский химик Т.
Бергман (1735-1784). Он впервые провел различие между
качественным и количественным анализом, обобщил
накопленный к тому времени материал о применении
паяльной трубки в анализе, создал первую схему
качественного химического анализа.
Период научной химии. Конец XVIII-начало XIX вв.
характеризовались общеизвестными открытиями А.
Л. Лавуазье (кислородная теория горения, закон
сохранения вещества, различие между элементами и
соединениями),
Знаменитый шведский химик Я. Берцелиус (1779-1848)
определил атомные веса почти всех известных
тогда элементов, ввел символы элементов,
химические формулы, активно проводил
аналитические расчеты на основе правил
стехиометрии. Берцелиус стоял у истоков
метрологии анализа. Он оценивал ошибки
определений, разработал точные методы
взвешивания, ему принадлежит методика
определения платиновых металлов. Шведский
ученый пытался создать новую схему
качественного анализа.
При анализе силикатов Берцелиус применил
фтористоводородную кислоту — прием, широко
используемый и по сей день; использовал возгонку
хлоридов для разделения металлов.
В числе методов количественного анализа к
середине XIX в. оформились титриметрические,
гравиметрические методы, способы элементного
органического анализа, методы газового анализа.
Основы титриметрического метода были заложены
еще в середине XVIII столетия, метод родился как
ответ на требования промышленности. Это пример
метода, который развивался под напором
практических задач. Первыми и главными
собственно химическими продуктами
промышленности были серная и соляная кислоты,
сода и хлорная вода; их применяли, например, при
отбеливании тканей.
Конец XIX века в истории Российской науки
ознаменовался многими крупными научными
событиями. Среди них особое значение приобрело
создание Н.С. Курнаковым физико-химического
анализа.
Курнаков Николай Семенович (1860 – 1941)
Николай Семенович Курнаков родился в городе
Нолинске Витебской губернии. После окончания
Нижегородской военной гимназии поступил в
Петербургский горный институт, получил первые
научные звания – адъюнкта и профессора. Здесь он
выполнил свои первые научные исследования в
области химии комплексных соединений,
получивших широкую известность. С 1898 г. Курнаков
вместе с учениками приступает к
систематическому изучению металлических
сплавов.
Для многих химиков, воспитанных в духе
классической химической науки второй половины XIX
века, казалось удивительным, что Курнаков, уже
прославившийся своими исследованиями в области
комплексных соединений, стал заниматься
металлическими сплавами – это область для науки
была неясной, сложной и малоизученной. Опираясь
на периодический закон химических элементов и
исследования Д.И. Менделеева в области растворов,
Курнаков считал, что для изучения общих
закономерностей превращения веществ в
металлические сплавы представляет огромный
интерес. Но до конца XIX века наука не располагала
методами их изучения.
Предстояло разработать новую методику и создать
необходимые условия для организации
исследования в области металлических сплавов.
В 1903 году Курнаков изобрел очень удобный,
компактный и простой прибор – самопишущий
пирометр, который позволил усовершенствовать
методику термического анализа. Пирометр
Курнакова нашел широкое применение в
металлографических лабораториях мира. Изучая
металлические сплавы различного состава,
Курнаков применил ряд новых физических методов.
Применение совокупности этих методов позволила
получить новые экспериментальные данные, на
основе которых он разработал учение о
бертоллидах (соединения переменного состава) и
дальтонидах (соединения определенного состава).
Исключительно важное значение методов
физико-химического анализа заключается в том,
что, в отличии от препаративной и аналитической
химии, они позволяют изучить природу химических
систем, не нарушая при этом самого состояния этих
систем.
Соединяя в себе качества глубокого теоретика и
прекрасного экспериментатора, Курнаков умел
подбирать такие объекты исследования, изучение
которых позволяло решать те или иные вопросы в
самой общей их форме.
Ученый дал обобщенное определение химического
индивида, подчиняющегося закону постоянных и
кратных отношений.
Если в химии XX века утвердилось мнение, что
химические соединения могут иметь не только
постоянный, но и переменный состав, то в этом
основная заслуга Курнакова. Он в 1913 году был
избран членом Петербургской Академии наук.
Создание физико-химического анализа,
изучение и освоение соляных богатств нашей
страны, организация новых
научно-исследовательских институтов, участие в
строительстве химических комбинатов, создание
крупной научной школы – все это самым
непосредственным образом связано с именем
Николая Семеновича Курнакова.
Век нынешний, новейший период истории
аналитической химии, особенно богат
нововведениями. Большое значение имело открытие
хроматографии (русский ботаник и биохимик М. С.
Цвет, 1903) и последующее создание разных вариантов
хроматографического метода — процесс,
продолжающийся до сих пор.
Значительным дополнением к титриметрическим
методам было развитие так называемого
комплексонометрического титрования — метода,
основанного на использовании (в качестве
титранта) полиаминополикарбоновых кислот,
названных “комплексонами”. Собственно говоря,
почти все методы базировались на применении
одной кислоты — этилендиаминтетрауксусной.
О развитии аналитической химии в России
Несколько членов Петербургской академии наук активно занимались химическим анализом — М. В. Ломоносов (1711-1765), Т. Е. Ловиц (1757-1804), В. М. Севергин (1765-1826), Г.И.Гесс (1802-1850), Ф. Ф. Бейльштейн (1838-1906). В советское время аналитическая химия успешно помогала решать многие научно-технические проблемы государственного значения (освоение атомной энергии, полупроводники и др.). Известны и крупные научные достижения. Н. А. Тананаев разработал капельный метод качественного анализа (по-видимому, одновременно с австрийским, позднее бразильским, аналитиком Ф. Файглем). Большой вклад советские аналитики внесли в изучение комплексообразования и его использование в фотометрическом анализе (И. П. Алимарин, А. К. Бабко, Н. П. Комарь и др.), в создание и изучение органических аналитических реагентов, развитие электрохимических методов анализа. Б. В. Львов предложил электротермический вариант атомно-абсорбционного метода — достижение, признанное во всем мире. Многое сделано в развитии хроматографии, экстракции и других методов разделения. Серьезные позиции завоеваны в области анализа металлов, геологических объектов, веществ высокой чистоты, в сфере автоматизации анализа.
Вывод:
Сегодняшний день аналитической химии
характеризуется многими изменениями:
расширяется арсенал методов анализа, особенно в
сторону физических и биологических;
автоматизация и математизация анализа; создание
приемов и средств локального, неразрушающего,
дистанционного, непрерывного анализа; подход к
решению задач о формах существования
компонентов в анализируемых пробах; появление
новых возможностей для повышения
чувствительности, точности и экспрессности
анализа; дальнейшее расширение круга
анализируемых объектов. Широко используют
теперь компьютеры, многое делают лазеры,
появились лабораторные роботы; значительно
поднялась роль аналитического контроля,
особенно объектов окружающей нас среды.
Возрос интерес к методологическим проблемам
аналитической химии. Как четко определить
предмет этой науки, какое место занимает она в
системе научного знания, фундаментальная это
наука или прикладная, что стимулирует ее
развитие — эти и подобные вопросы были предметом
многих дискуссий.
Приложение 1 – Исследовательская работа «Аналитические методы исследования молока»
Приложение 2 – Презентация «История становления аналитической химии в России»
Приложение 3 – Курнаков Николай Семенович
Список литературы:
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайтов: