Инженеры-экологи должны знать химический состав сырья, продуктов и отходов производства и окружающей среды - воздуха, воды и почвы; важно выявить вредные вещества и определить их концентрацию. Эту задачу решает аналитическая химия - наука об определении химического состава веществ.
Задачи аналитической химии решаются главным образом физико-химическими методами анализа, которые, называют также инструментальными. Они используют измерение какого-либо физического или физико-химического свойства вещества для определения его состава. Он включает также разделы, посвящённые методам разделения и очистки веществ.
Цель данного курса лекций - ознакомление с принципами инструментальных методов анализа, чтобы ориентироваться в их возможностях и на этой основе ставить конкретные задачи специалистам - химикам и понимать смысл полученных результатов анализа.
Литература
Алесковский В.Б. и др. Физико-химические методы анализа. Л-д, "Химия", 1988 г.
Ю.С.Ляликов. Физико-химические методы анализа. М.,изд-во "Химия", 1974 г.
Васильев В.П. Теоретические основы физико-химических методов анализа.М., Высшая школа, 1979 г.
А.Д.Зимон, Н.Ф.Лещенко. Коллоидная химия. М., "Агар", 2001 г.
А.И.Мишустин, К.Ф.Белоусова. Коллоидная химия (Методическое пособие). Изд-во МИХМ, 1990 г.
Первые две книги являются учебниками для студентов-химиков и поэтому достаточно сложные для вас. Это делает данные лекции весьма полезными. Однако можно читать отдельные главы.
К сожалению, для данного курса администрация пока не выделила отдельного зачёта, поэтому материал входит в общий экзамен, вместе с курсом физической химии.
Различают качественный и количественный анализ. Первый определяет наличие тех или иных компонентов, второй - их количественное содержание. Методы анализа подразделяются на химические и физико-химические. В данной лекции рассмотрим только химические методы, которые основаны на превращении анализируемого вещества в соединения, обладающие определенными свойствами.
При качественном анализе неорганических соединений исследуемый образец переводят в жидкое состояние растворением в воде или растворе кислоты или щёлочи, что позволяет обнаруживать элементы в форме катионов и анионов. Например, ионы Cu 2+ можно определить по образованию комплексного иона 2+ ярко-синего цвета.
Качественный анализ подразделяют на дробный и систематический. Дробный анализ- обнаружение нескольких ионов в смеси с приблизительно известным составом.
Систематический анализ - это полный анализ по определенной методике последовательного обнаружения индивидуальных ионов. Выделяют отдельные группы ионов со сходными свойствами посредством групповых реагентов, затем группы ионов подразделяют на подгруппы, а те, в свою очередь, - на отдельные ионы, которые и обнаруживают при помощи т.н. аналитических реакций. Это реакции с внешним эффектом - выпадением осадка, выделением газа, изменением цвета раствора.
Свойства аналитических реакций - специфичность, избирательность и чувствительность .
Специфичность позволяет обнаружить данный ион в присутствии других ионов по характерному признаку (цвет, запах и т.п.). Таких реакций сравнительно немного (например, реакция обнаружения иона NH 4 + действием на вещество щелочи при нагревании). Количественно специфичность реакции оценивается величиной предельного отношения, равного отношению концентраций определяемого иона и мешающих ионов. Например, капельная реакция на ион Ni 2+ действием диметилглиоксима в присутствии ионов Co 2+ удается при предельном отношении Ni 2+ к Co 2+ , равном 1:5000.
Избирательность (или селективность) реакции определяется тем, что сходный внешний эффект дают лишь несколько ионов. Bзбирательность тем больше, чем меньше число ионов, дающих сходный эффект.
Чувствительность реакции характеризуется пределом обнаружения или пределом разбавления. Например, предел обнаружения в микрокристаллоскопической реакции на ион Ca 2+ действием серной кислоты равен 0,04 мкг Ca 2+ в капле раствора.
Более сложная задача - анализ органических соединений. Углерод и водород определяют после сжигания пробы, регистрируя выделившийся углекислый газ и воду. Существуют ряд приемов для обнаружения других элементов.
Классификация методов анализа по количеству.
Компоненты подразделяют на основные (1 - 100% по массе), неосновные (0,01 - 1% по массе) и примесные или следовые (менее 0,01% по массе).
В зависимости от массы и объема анализируемого образца различают макроанализ (0,5 - 1 г или 20 - 50 мл),
полумикроанализ (0,1 - 0,01 г или 1,0 - 0,1 мл),
микроанализ (10 -3 - 10 -6 г или 10 -1 - 10 -4 мл),
ультрамикроанализ (10 -6 - 10 -9 г, или 10 -4 - 10 -6 мл),
субмикроанализ (10 -9 - 10 -12 г или 10 -7 - 10 -10 мл).
Классификация по природе определяемых частиц:
1.изотопный (физический) - определяются изотопы
2. элементный или атомный - определяется набор химических элементов
3. молекулярный - определяется набор молекул, из которых состоит образец
4. структурно-групповой (промежуточный между атомным и молекулярным) - определяются функциональных группы в молекулах органических соединений.
5. фазовый - анализируются компоненты неоднородных объектов (например минералов).
Другие виды классификации анализа:
Валовой и локальный.
Деструктивный и не деструктивный.
Контактный и дистанционный.
Дискретный и непрерывный.
Важные характеристики аналитической процедуры - экспрессность метода (быстрота проведения анализа), стоимость анализа, возможность его автоматизации.
ФИЗИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ АНАЛИЗА
,
основаны на измерении эффекта, вызванного взаимод.
с в-вом излучения - потока квантов или частиц. Излучение играет примерно ту
же роль, что играет реактив в химических методах анализа. Измеряемый
физ. эффект представляет собой сигнал. В результате неск. или мн. измерений
величины сигнала и их стати-стич. обработки получают аналит. сигнал. Он связан
с концентрацией или массой определяемых компонентов.
Исходя из характера используемого
излучения, физические методы анализа можно разделить на три группы: 1) методы, использующие первичное
излучение, поглощаемое образцом; 2) применяющие первичное излучение, рассеиваемое
образцом; 3) использующие вторичное излучение, испускаемое образцом. К примеру,
масс-спектрометрия относится к третьей группе -первичным излучением здесь
служит поток электронов , квантов света, первичных ионов или др. частиц, а вторичное
излучение представляет собой ионы разл. масс и зарядов.
С точки зрения практич.
применения чаще используют др. классификацию физических методов анализа: 1) спектроскопич. методы
анализа -атомно-эмиссионная, атомно-абсорбционная, атомно-флуо-ресцентная спектрометрия
и др. (см., напр., Атомно-абсорб-ционный анализ, Атомно-флуоресцентный анализ ,
Инфракрасная спектроскопия , Ультрафиолетовая спектроскопия), рентгеновская спектроскопия ,
в т. ч. рентгено-флуоресцент-ный метод и рентгеноспектральный микроанализ,
масс-спектрометрия , электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный
резонанс , электронная спектрометрия; 2) ядер-но-физ. и радиохим. методы
- радиоактивационный анализ (см. Активационный анализ), ядерная гамма-резонансная,
или мёссбауэровская спектроскопия , изотопного разбавления метод ", 3)
прочие методы, напр. рентгеновская дифрактометрия (см. Дифракционные методы),
и др.
Достоинства физ. методов:
простота пробоподготовки (в большинстве случаев) и качественного анализа проб ,
большая универсальность по сравнению с хим. и физ.-хим. методами (в т.ч. возможность
анализа многокомпонентных смесей), широкий динамич. диапазон (т. е. возможность
определения основных, примесных и следовых составляющих), часто низкие пределы
обнаружения как по концентрации (до 10 -8 % без использования концентрирования),
так и по массе (10 -10 -10 -20 г), что позволяет расходовать
предельно малые кол-ва пробы , а иногда проводить неразрушающий анализ . Многие
физические методы анализа позволяют выполнять как валовый, так и локальный и послойный анализ
с пространств. разрешением вплоть до моноатомного уровня. Физические методы анализа удобны для
автоматизации.
Использование достижений
физики в аналит. химии приводит к созданию новых методов анализа. Так, в кон.
80-х гг. появились масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой , ядерный
микрозонд (метод, основанный на регистрации рентгеновского излучения, возбужденного
при бомбардировке исследуемого образца пучком ускоренных ионов , обычно протонов).
Расширяются области применения физических методов анализа природных объектов и техн. материалов.
Новый толчок их развитию даст переход от разработки теоретич. основ отдельных
методов к созданию общей теории физических методов анализа. Цель таких исследований - выявление
физ. факторов, обеспечивающих все связи в процессе анализа. Нахождение точной
взаимосвязи аналит. сигнала с содержанием определяемого компонента открывает
путь к созданию "абсолютных" методов анализа, не требующих образцов
сравнения. Создание общей теории облегчит сопоставление физических методов анализа между собой,
правильный выбор метода для решения конкретных аналит. задач, оптимизацию условий
анализа.
Лит.: Данцер К.,
Тан Э., Moльх Д., Аналитика. Систематический обзор, пер. с нем., M., 1981; Юинг
Г., Инструментальные методы химического анализа , пер. с англ., M., 1989; Рамендик
Г.И., Шишов В.В., "Ж. аналит. химии ", 1990, т. 45, № 2, с. 237-48;
Золотов Ю.А., Аналитическая химия : проблемы и достижения, M., 1992. Г.И.
Рамендик.
ГЛАВА 1
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ОТВЕТА НА ЭТОТ ВОПРОС
Неверное положение вытесняется обыкновенно столь же неверным противоположением. Только потом открывается лежащая посерединеистина. Таков удел науки.
В настоящее время достаточно опровергнуто то мнение, что государство является неограниченным опекуном человечества по всем делам последнего; что государство должно его сделать счастливым, богатым, здоровым, правильно верующим, добродетельным, а если Бог сподобит, то и навеки блаженным. Но в другом отношении, мне кажется, слишком сузили права и обязанности государства. Когда говорят, что у государства нет иного дела, кроме заботы о сохранении за каждым его личных прав и его собственности, то это не является в корне неправильным и допускало бы хорошее толкование, если бы только при этом утверждении не предрешался часто втайне вопрос о том, что независимо от государства существует собственность и что государство должно только наблюдать за состоянием владения, в котором оно застает своих граждан, а об основании владения не должно их спрашивать. Против этого я бы возразил, указав, что назначение
государства состоит прежде всего в том, чтобы дать каждому свое, ввести его во владение его собственностью, а потом уже начать ее охранять.
Изложу свою мысль яснее рассмотрением первичных основных положений.
Допустим, что некоторое количество людей живет совместно в одной и той же сфере деятельности (Wirkungskreis). Каждый из них проявляет себя в свободных поисках пищи и радостей. Но вот один
становится на пути у другого. Он разрушают то, что тот строил; портит или использует для себя то, на что тот рассчитывал. Второй со своей стороны поступает по отношению к первому так же, и так же поступает каждый в отдельности по отношению ко всякому из остальных. О нравственности, справедливости и тому подобном здесь не место говорить, потому что мы рассуждаем в пределах науки о праве. Однако и понятие права также не приложимо к описанным отношениям. Ведь ясно, что ни почва, которую попирают, ни дерево, которое лишают его плодов, не вступят в правовой
спор с тем человеком, который это совершает. Но если бы даже этот вред нанес одному человеку другой, какое бы основание мог привести первый в защиту того, что никто, кроме него, не смеет так же свободно ступать на эту землю или снимать плоды с этого дерева, как и он?
В этом состоянии никто не свободен, потому что все неограниченно свободны. Никто не может ничего создать врасчете, что оно просуществует хотя бы одно мгновение. Из этого взаимного столкновения свободных сил можно найти выход исключительно только в том, что обособленные индивиды договариваются между собою. Один говорит другому: «мне причиняет вред то, что ты делаешь» Тот отвечает: «а мне причиняет вред, когда ты это делаешь». Тогда первый заявляет: «если так, то я согласен не делать того, что вредит тебе, при условии, что ты не будешь делать того, что вредно мне». Второй делает со своей стороны то же заявление, и, начиная с этого момента, оба держат свое слово. Лишь теперь впервые каждый имеет нечто свое, принадлежащее только ему и никому другому — имеет право, исключительное право.
Единственно только на основе описанного договора возникает собственность, возникают права на нечто определенное — преимущественные и исключительные права. В первобытном состоянии все имеют одинаковыеправа на все. Это значит, что ни один не имеет ни малейшего преимущества перед другими. Лишь впервые, благодаря отказу всех остальных от чего-либо и моему настоятельному желанию сохранить это нечто за собою, оно становится моей собственностью. Этот отказ со стороны всех, и только он один, и является основанием моего права.
Только государство соединяет неопределенное количество людей в замкнутое целое, в общность (AUheit); только оно может доискиваться у всех тех, кого оно принимает в свой союз; только через него, поэтому, устанавливается покоящаяся на праве собственность. С остальными людьми на поверхности земного шара, когда они становятся ему известными, оно сносится от имени всех своих граждан, как государство. И вне государства я приобретаю через договор с моим соседом право собственности по отношению к нему, как и он ко мне. Но всякого третьего, который присоединится, наши соглашения не обязывают. Он сохраняет на все, что мы называем своим, столько же права, как и до нашего соглашения, т. е. столько же права, как и мы.
Я описал право собственности, как право, исключающее действия, а не вещи. Это происходит так. Пока все живут смирно друг возле друга, между ними не возникает споров. Только впервые тогда, когда они начинают проявлять себя в деятельности, они сталкиваются друг с другом. Свободная деятельность — источник борьбы сил. Она, следовательно, и является тем предметом, о котором должны договориться спорящие; эта деятельность, а не вещи, составляет предмет договора. Собственность на предмет свободной деятельности вытекает и выводится впервые из исключительного права на свободную деятельность. Я не буду утомлять себя, придумывая средства для идеального владения этим деревом, если никто из тех, кто приближается к нему, его не трогает и если только мне одному полагается снимать с него плоды, когда я захочу. Тогда, без сомнения, только я, и никто больше, буду снимать и есть эти плоды. А ведь это меня только и занимает.
Таким отношением к задаче сохраняешь себя от множества бесполезных, хитрых тонкостей и можешь быть уверенным, что исчерпал в одном, безусловно, обобщающем понятии все виды собственности.
Таким образом, на основе договора всех со всеми распределяется сфера свободной деятельности между отдельными индивидами, и из этого деления возникает собственность.
Но как произвести разделение так, чтобы оно соответствовало законам права? Может быть, было бы вообще достаточным, чтобы все делилось как придется?
Увидим.
Всякая человеческая деятельность имеет своей целью достижение возможности жить. На нее имеют одинаковое право все те, которые природою вызваны к жизни. Разделение должно быть поэтому прежде всегопроизведено так, чтобы все могли сохранить жизнь. Жить самому и давать жить другим!
Каждый хочет жить возможно более приятно. И так как этого требует каждый, в качестве человека, и так как никто не является больше другого человеком, то в этом требовании все имеют одинаковое право. Сообразно с такою одинаковостью права и должно быть произведено деление так, чтобы все и каждый жили настолько приятно, насколько это возможно при том количестве людей, которые все должны существовать друг возле друга в данной сфере деятельности, т. е. насколько это возможно при условии, чтобы все могли жить одинаково приятно. Имели возможность, говорю я, а не должны. Если кто-либо живет менее приятно, то причина должна быть скрыта в нем самом, а не в ком-либо другом.
Примем за первую величину определенную сумму возможной деятельности в данной ее сфере. Вытекающая из этой деятельности приятность жизни определяет качественное значение этой величины.
Предположим определенное количество индивидов, как вторую величину.
Разделите приятность первой величины на равные части между индивидами, и вы найдете, что каждый должен был бы получить в данных условиях. Если бы первая величина была больше, или вторая меньше, то, очевидно, что каждый получил бы большую часть. Но здесь вы ничего не можете изменить.
Единственной вашей заботой должно быть, чтобы наличное было разделено между всеми поровну.
Часть, которая приходится каждому, есть его часть по праву. Он должен ее получить, хотя бы она ему еще и не была присуждена. В государстве разума он ее и получает. При разделении, которое сделано до пробуждения и господства разума, не всякий получает ее, потому что другие взяли себе больше, чем приходилось на их долю. Намерением современного государства, через искусство приближающегося к разуму, должно быть содействие каждому в постепенном получении им своего в вышеуказанном значении этого слова. Таков смысл сказанных мною выше слов: назначением государства является предоставление каждому того, что ему принадлежит (das Seinige).
