Теоретический курс по дисциплине "Аналитическая химия"

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КУРС ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«АНАЛИТИЧЕСКАЯ  ХИМИЯ» 

1 ЦЕЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ   В ГЕОЭКОЛОГИИ 

Химический  анализ проводится на всех предприятиях, производящих продукцию, представляющей из себя вещество или материал. Это производство химической, нефтеперерабатывающей, фармацевтической, пищевой продукции. Это горнодобывающая, горно-перерабатывающая промышленности, металлургия. Это производства агропромышленного комплекса – животноводство, зерноводство, овощеводство и т.д. Экологический  контроль состояния окружающей природной среды основан на данных химического анализа состава атмосферного воздуха, поверхностных вод, почвы. Анализ состава крови и других биологических материалов необходим в медицине. Борьба с терроризмом, наркобизнесом, обманом в спортивных достижениях также не обходятся без использования данных химического анализа. 

Исторически геология развивалась на применении результатов химического анализа  геологических проб. 

В нашей стране добывается более ста видов твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых, которые встречаются в самых разнообразных геологических условиях. 

Выделяют  следующие месторождения полезных ископаемых:

• Месторождения металлических, химических и агрономических руд. К числу рудных месторождений относятся полезные ископаемые, содержащие минералы или минеральные комплексы, которые при существующем уровне развития техники и экономики могут служить источниками получения металлов, элементов или химических соединений.
• Месторождения ценных минералов и кристаллов (полезных минералов и кристаллов - талька, графита, асбеста, гипса, ангидрита, слюд, драгоценных и технических камней; ценных кристаллов - мусковита, драгоценных, поделочных и технических камней),
• Месторождения полезных горных пород (используемых в природном состоянии или после их механической отработки - строительные и облицовочные материалы: магматические, осадочные и метаморфические породы; дорожно-строительные материалы и наполнители бетона (галечники, щебень, гравий, строительные пески и др.); используемых после термической или химической обработки - керамическое и стекольное сырье (стекольные пески, полевые шпаты, глины и каолиниты), огнеупорные и тугоплавкие материалы (огнеупорные глины, кварциты, оливины и дуниты), цементное сырье (мергели, глина, легкоплавкие глины), сырье для каменного литья (базальты, диабазы, лёсс), минеральные краски (охры, шунгиты и др.) и комплексное сырье (известняки, глины, доломиты, мел, пески, глины и др.).
• Месторождения твердых горючих ископаемых (торфы, ископаемые угли, горючие сланцы, асфальты, озокериты, пиробитумы и др.)
• Месторождения жидких горючих ископаемых (нефти), природных газов и природных вод

 

Как видно  из приведённой классификации месторождений  полезных ископаемых, полезные ископаемые весьма разнообразны по химическому составу, по агрегатному состоянию и все они многокомпонентные. Поэтому для разведки и поисков месторождений полезных ископаемых используется широкий комплекс поисковых методов: геологическая съемка, геолого-минералогические, геохимические, геофизические, аэро и космические методы, горно-буровые методы.

На анализе результатов химического анализа проб вещества природных объектов, отобранных геологами, полностью основаны геохимические методы поиска и разведки месторождений полезных ископаемых. В геоэкологии результаты химического  анализа проб вещества природных объектов используются для оценки истощения природных ресурсов и оценки загрязнения природной среды в процессе использования недр. 

2 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ  АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ  И АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВ 

Объект химического анализа – это может быть партия минерального (руда) и вторичного (металлолом) сырья, партия химического продукта (метанол, полиэтилен), партия металлургического продукта (выплавленная сталь,), партия пищевого продукта (сок), партия материала (полиэтиленовая плёнка, кремниевая пластина, жесть), партия продукта бытовой химии (шампунь, стиральный порошок), природная, сточная, технологическая или питьевая вода, атмосферный воздух, воздух рабочей зоны, изделие из ювелирного сплава, товарная нефть из резервуара, листья или корни растения, зерно, кровь человека и т.д. и т.п. 

Вещество  объекта химического  анализа  - механическая или физико-химическая смесь атомов (элементов) и химических и соединений. 

Например, речная вода это объект анализа, а вода, представляющая собой механическую (взвешенные частицы) и физико-химическую смесь (гидратированные ионы, аквакомплексы и др.) множества растворимых и нерастворимых в ней химических соединений органической и неорганической природы как природного (гуминовые вещества, гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды кальция и магния и другие компоненты), так и техногенного (пестициды и другие компоненты) происхождения – это вещество объекта химического анализа. 

Вещество  объекта химического анализа может находиться в различных агрегатных состояниях. Например, растение – это объект анализа, а зола, полученная после сжигания растения и содержащая смесь твердых неорганических химических соединений - углерод, окислы и соли металлов, – это вещество объекта анализа. 

Химический  состав вещества объекта анализа – совокупность компонентов, из которых состоит вещество объекта анализа. Под компонентом понимают химический элемент, изотоп, молекулу, радикал, функциональную группу, группу или класс химических соединений, обладающих определёнными  свойствами и т.д. 

Химический  анализ вещества объекта  анализа – определение компонентов химического состава вещества объекта анализа, например,  компонентов подземной воды. 

Часть вещества объекта анализа, переданная в аналитическую лабораторию для проведения химического анализа, принято называть пробой. 

Научная основа химического анализа – аналитическая химия. Это наука о принципах, методах, средствах измерения и способах определения химического состава веществ и установления его химического строения (структуры). 

Можно выделить три крупных направления  исследований в области аналитической  химии: общие теоретические основы принципов, методов, средств и способов определения состава веществ; разработка методов анализа (например, в ТПУ на кафедре физической и аналитической химии разработан в 60-е – 80-е годы 20-го века метод инверсионной вольтамперометрии); аналитическая химия отдельных элементов (например, аналитическая химия вольфрама) и объектов (например, аналитическая химия атмосферы). В теоретических основах аналитической химии существенное место занимает метрология химического анализа, в том числе статистическая обработка результатов анализа, проверка правильности результатов анализа. 

Теория  аналитической химии включает учение

-- о  новых принципах и методах химического анализа

--- об  отборе рабочих и подготовке  аналитических проб к анализу (средство и способ);

--- о  схемах анализа и выборе методов анализа (способ);

--- о  принципах и путях автоматизации  химического анализа и применения ЭВМ (средство и способ);

--- об  основах народнохозяйственного использования результатов химического анализа (достоверность результатов и выводов). 

На современном  этапе развития аналитическая химия  – это междисциплинарная наука, основанная на теоретических и практических достижениях

-- физической, неорганической, органической химии,  физики (принципы, методы, средства измерения и способы определения состава веществ);

-- математики, информатики (способы обработки аналитических сигналов и результатов анализа),

-- материаловедения, измерительной техники, (средства измерения состава веществ);

-- биологии  и генной инженерии (принципы, методы, средства измерения и способы определения состава веществ). 

Конечная  практическая цель аналитической химии как науки теоретически обосновать и разработать схемы химического анализа вещества различных объектов, позволяющие получать сопоставимые и достоверные результаты о химическом составе вещества объекта анализа. Схема анализа на практике обычно представляют в виде методики химического анализа конкретного вещества. 
 

3 ОБЪЕКТЫ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА В ГЕОЛОГИИ

В природе  элементы обычно рассеяны и распределены неоднородно. В отдельных участках – так называемых аномальных зонах, или аномалиях, их содержание значительно превышает среднее (фоновое).

При помощи геохимических методов изучают  закономерности распределения химических элементов в горных породах, в  рыхлых отложениях, почвах (в литосфере), природных водах (гидросфере), растениях (живом веществе), атмосфере с целью выделения участков, перспективных на обнаружение месторождений полезных ископаемых. 

В поисковой  геологии объект химического анализа – это объекты литосферы, гидросферы, биосферы, атмосферы. Пробы для анализа отбирают в коренных породах, рыхлых отложениях различного генезиса (происхождения), природных водах. Проба может представлять собой отобранный для анализа подпочвенный воздух или  воздух из нижних слоёв атмосферы. Собранные с определённой площади верхние части растений или их корни могут представлять собой пробы для химического анализа. В зависимости от этого различают литохимические; гидрохимические; биохимические; атмохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых. Отсюда видно, что проба вещества объекта анализа может быть неорганического и органического происхождения и находиться в различных агрегатных состояниях.  

Согласно  классификации видов месторождений  полезных ископаемых для геолога  объект химического анализа это:

1. Горные  породы, руды, полезные минералы и кристаллы;

2. Драгоценные и технические камни, ценные кристаллы;

3. Мрамор, галечник, щебень, гравий, пески, полевые шпаты, глины и каолиниты, кварциты, оливины и дуниты, мергели, базальты, диабазы, лёсс, охры, шунгиты, известняки, доломиты, мел;

4. Торфы, ископаемые угли, горючие сланцы, асфальты, озокериты, пиробитумы,

5. Нефти, природные газы, природные подземные воды 

Однако  перечисленные полезные ископаемые не находятся в природе в чистом виде. Они существуют в составе  «пустой» породы и других природных  образований. Химик-аналитик проведёт химический анализ отобранной геологом пробы. В поисковой геологии – это горные породы, руды, минералы, подземные воды, подпочвенный воздух) и ответит на вопрос, из каких химических компонентов состоит вещество анализируемой пробы и каково их содержание. 

Геолог, отдав пробу на химический анализ, желает знать, можно ли отнести найденный объект к месторождению полезного ископаемого. Для этого он проведёт «геологический» анализ данных химического анализа большой совокупности проб, отобранных в определенных точках  оконтуренного объёма литосферы, гидросферы или атмосферы. С помощью методов теории вероятностей и математической статистики он покажет, что пробы отобраны с месторождения полезного ископаемого, или его поблизости не существует. 

В геоэкологии  объекты химического анализа – это вещество коренной породы, почвы, грунта (донных отложений), снежного покрова, поверхностной воды, атмосферного воздуха. 
 

4 ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ  ЭЛЕМЕНТОВ В ЗЕМНОЙ  КОРЕ 

В геосфере химические элементы находятся в живом и неживом органическом и неорганическом веществе в различных химических соединениях. Для решения геологических задач важнейшими формами нахождения элементов в земной коре считаются следующие девять форм, которые геологу нужно уметь идентифицировать. Эта информация считается исходной при проведении химического анализа отобранных геологом проб. Она позволяет подобрать такой способ подготовки пробы к химическому анализу, который обеспечивает получение достоверных результатов анализа. 

1. Самостоятельные  минеральные виды – это форма нахождения элементов в химических соединениях, характерных для минералов. Элементы находятся в кристаллической решётке ионных кристаллов, или  в виде ионов, в виде окислов, простых и комплексных солей. Это важнейшая для литосферы форма существования химических элементов. Элементы, находясь в этой форме, мигрируют совместно в постоянном соотношении между собой. Миграция отдельных элементов, составляющих минералы, возможна только после разрушения последних. К минеральной форме нахождения элементов отнесено и сравнительно небольшое количество коллоидных систем с твердой дисперсной средой. Среди них выделяются кристаллозоли и криcraллогели. Миграция составляющих их элементов происходит в минеральной форме и только совместно. Однако соотношение между элементами в каждом отдельном обломке может быть резко различным. Это отличает коллоидные минералы от остальных и приближает их к изоморфным смесям.