Связь аналитической химии с другими науками

 

 

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И

СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОРБРАЗОВАНИЯ

АМУРСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ

 

 

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 060301 «ФАРМАЦИЯ»

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

ПО АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ

ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ

 

1 КУРС 2 СЕМЕСТР (очно-заочная форма)

 

СТУДЕНТКА Лопарева Карине Карапетовна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Благовещенск, 2013 г.

 

Раздел I Теоретические основы

 

2. Связь аналитической  химии с другими науками

Аналитическая химия — это самостоятельная наука, отдельная научная дисциплина. Исследования передовой науки обычно являются междисциплинарными, их трудно отнести к той или иной научной дисциплине. Результаты опросов показывают, что исследователи, работающие над одной проблемой и часто даже в одном подразделении, могут дать самые противоречивые ответы на вопрос, к какой дисциплине относится их работа. Это не умаляет значения самой дисциплины и не доказывает ненужности классификации наук в целом. Если междисциплинарность — характеристика передовых исследований, форма проведения исследований, то сама научная дисциплина служит формой организации уже полученных знаний, структурой для сотрудничества и коммуникации ученых, подготовки научных кадров. Научная дисциплина формируется по мере того как результаты передовых исследований оценивают, отбирают, обобщают, систематизируют, интерпретируют в процессе развития науки. Новые научные результаты, полученные в ходе междисциплинарных исследований, могут войти в фонд науки лишь в том случае, если они получают соответствующую интерпретацию в рамках какой-либо дисциплины. Таким образом, впереди могут присутствовать, а иногда даже преобладать, междисциплинарные исследования, а сама область науки образует обширный тыл, территорию, основную структуру.

Теперь рассмотрим связь аналитической химии с другими науками. Что касается аналитической химии, то здесь, конечно, используются подходы, факты, инструментарий многих наук. Однако существуют структуры, имеющие не только корни в других дисциплинах, но и декларирующие свою нынешнюю принадлежность к иным областям знания. Примеры известны каждому аналитику. Занимающиеся лазерными методами анализа атмосферы (лидарами) сотрудники Института оптики атмосферы РАН в Томске удивятся, если их будут числить по ведомству аналитической химии, хотя они на самом деле ею (в современном понимании) и занимаются. Это один из многих физических островков в массиве аналитической химии. Специалисты по иммунохимическому анализу относят себя к биохимии или медицине; это один из биологических островков. Очевидно, междисциплинарность характерна теперь не только для передовых технологий, но и для аналитической химии в целом; таким образом, аналитическая химия в настоящее время имеет черты междисциплинарной науки. Отсюда можно сделать вывод, о том, что аналитическая химия сейчас не только часть химии. К этому выводу многие крупные аналитики пришли еще в 1970-е гг.

М. И. Шахпаронов в 1957 г. писал: «Аналитическая химия — особая научная дисциплина... существенно выходящая за рамки химии». Здесь необходимо пояснение. Аналитическая химия всегда была и остается частью химии. С химией она связана природой самого объекта приложения сил. Аналитики обнаруживают и определяют элементы, соединения, фазы — все то, что главным образом является предметом интересов химии. С химией аналитическая химия тесно связана и по линии химических методов анализа, в которых используются достижения таких разделов химии, как учение о химическом равновесии, электрохимия, химическая кинетика, неорганическая, органическая, коллоидная химия.

Почти столь же прочно, как с химией, современная аналитическая химия связана с физикой. Весьма интересные и перспективные работы в области химического анализа делают не только химики, но и физики на кафедрах физики, в физических институтах РАН, особенно в таких направлениях, как ядерно-физические и спектроскопические методы, аналитическое приборостроение, химические сенсоры, выделение сигнала на фоне шумов и др. Подобные связи развиваются и с биологией, и с математикой, и с компьютерными науками. Перечень наук, с которыми непосредственно связана аналитическая химия, очень велик.

Особо следует выделить взаимосвязи аналитической химии с метрологией. Некоторые специалисты (К.Дёрфель и др.) считают, что аналитическая химия — дисциплина, лежащая между химией и метрологией. Связь этих двух наук обсуждалась А. Б. Шаевичем, Ю. А. Карповым, А. Б. Бланком, Ю. А. Александровым, Л. Н. Филимоновым и др. Метрология возникла несколько позже, чем аналитическая химия, причем возникла она как техническая, а не как фундаментальная наука. Историки отмечают, что в аналитической химии и в теоретической метрологии одни и те же идеи нередко возникали одновременно, различаясь лишь по терминологическому оформлению. В ходе становления теоретической метрологии в нее вошло немало идей, первоначально выдвинутых аналитиками, а также некоторые технические приемы, опробованные в химическом анализе, например способы оценивания и исключения систематических погрешностей. Однако в еще большей степени проходил обратный процесс — перенос в аналитическую химию понятий и алгоритмов, первоначально возникших в рамках метрологии. Можно выделить несколько этапов этого процесса.

На первом (начальном) этапе (во времена Лавуазье и Берцелиуса) метрология только создавалась и никак не влияла на развитие аналитической химии. Анализ рассматривали как чисто химический процесс, иногда включающий отдельные измерительные процедуры (взвешивание, измерение объема и т.п.), а иногда и вовсе не включающий их (качественный анализ с применением цветных реакций). В количественном же анализе средства измерений рассматривали изолированно, без оценки, сопоставления и суммирования их погрешностей.

На втором этапе (во времена Оствальда и Менделеева) аналитическая химия и метрология уже существовали как самостоятельные науки, хотя и были слабо связаны между собой. И аналитики, и метрологи рассматривали результаты анализов и измерений как величины, отягощенные случайными и систематическими погрешностями.

На третьем этапе начинает складываться представление об анализе как целостном измерительном процессе, для которого, как и в других случаях, нужны узаконенные единицы, аттестованные средства измерений, эталоны количества вещества, образцы сравнения и т.п. Временные границы этого периода размыты. В металлургическом анализе «обращение к метрологии» произошло еще в начале XX в., в анализе других технических объектов — в середине XX в., а, например, в клиническом анализе этот процесс начинается лишь сейчас. Метрологические аспекты анализа многим химикам-аналитикам казались ненужным и формальным или, по крайней мере, маловажным делом. Другие специалисты (в СССР прежде всего В. В. Налимов и Н. П. Комарь), подчеркивая важность метрологических аспектов нашей науки, указывали на особый характер анализа как измерительного процесса, включающего специфические этапы и приемы, не характерные для других измерительных процессов. Стадии анализа, вовсе не связанные с измерительными приборами, зачастую являются основным источником погрешностей химического анализа! Аналитики неоднократно подчеркивали, что для обеспечения точности анализа нужны как специальные средства измерений (приборы, стандартные образцы и т.п.), так и особая методология оценки и минимизации погрешностей. Как уже отмечалось, в 1950 — 1960-е гг. на стыке с общей метрологией возникла особая (пограничная) область —химическая метрология. Н. П. Комарь сформулировал для нее три основные задачи: 1) передача размера единицы количества вещества (моль) от первичного эталона в практику; 2) использование математической статистики для оценки и минимизации погрешностей результатов анализа; 3) оптимизация всех стадий и условий анализа с использованием физико-химических параметров соответствующих процессов. К сожалению, первое направление исследований пока что не дало конкретных результатов, а второе и третье развиваются весьма успешно. Метрологи далеко не сразу поняли специфику химического анализа как измерительного.

Для четвертого этапа (конец XX в.) характерно проведение комплекса технических и организационных мероприятий, реализуемых для поддержания единства и точности результатов количественного анализа. Естественно, значимость нового этапа в сотрудничестве аналитиков и метрологов не сводится к этим мероприятиям. Вероятно, использование фундаментальных идей и практических достижений теоретической метрологии дало новый импульс развитию нашей науки. Оно объединило химические, физические и даже биологические методы анализа в единое целое подобно тому, как в конце XIX в. использование достижений физической химии объединило разные химические методы элементного анализа неорганических веществ и стимулировало их развитие.

Пятый (последний) период, начавшийся на рубеже XX и XXI в., решает глобальную задачу упрочения качеством химического анализа и оптимизации деятельности аналитической службы. Конечно, решать эту задачу должны сами работники контрольно-аналитических лабораторий, но способы ее решения призваны разработать ученые — аналитики, метрологи, технологи, экономисты, специалисты по управлению и по информатике. Профессиональные аналитики-исследователи во многих странах всерьез занялись этой проблемой. Аббревиатура — контроль качества — получила широкое распространение в сфере химического анализа. Этой тематике в последние годы посвящается множество монографий и руководств, один за другим принимаются соответствующие нормативно-технические документы, в том числе международного характера.

История взаимосвязей аналитики и метрологии подтверждает общее положение о том, что связи нашей науки с другими дисциплинами всегда имеют диалектический характер. С одной стороны, аналитическая химия получает от различных научных дисциплин принципы, закономерности, на основе которых создаются методы анализа, а также технические приемы, способы регистрации аналитического сигнала, методы обработки результатов. С другой стороны, аналитическая химия обеспечивает многие науки идеями, методами, приборами, подчас в значительной степени предопределяя успехи этих наук. Нередко науки взаимно дополняют друг друга. Так, разработав методы анализа ядерных материалов, аналитики помогли физикам в создании ядерных реакторов, а затем эти реакторы стали одним из инструментов аналитиков: с их помощью осуществляют радиоактивационный анализ. Другой пример: полупроводниковые детекторы, которые расширяют возможности активационного анализа, нельзя было создать без разработанных ранее методов анализа полупроводниковых материалов.

 

6. Закон действующих  масс

 

Закон действующих масс один из основных законов физической химии; устанавливает зависимость скорости химической реакции от концентраций реагирующих веществ и соотношение между концентрациями (или активностями) продуктов реакции и исходных веществ в состоянии химического равновесия. Норвежские учёные К. Гульдберг и П. Вааге, сформулировавшие Д. м. з. в 1864—67, назвали «действующей массой» вещества его количество в единице объёма, т. е. концентрацию, отсюда — наименование закона.        

 Если в идеальной газовой  смеси или идеальном жидком  растворе происходит реакция:         

аА + а'А' = bB + b'B' (1)        

(А, А' и т.д. — вещества, а, а' и т.д. — стехиометрические коэффициенты), то, согласно Д. м. з., скорость реакции в прямом направлении:         

r+ = k+ [A] a [A'] a' (2)        

Здесь [А] — концентрация вещества А и т.д., k+ — константа скорости реакции (в прямом направлении), k+ зависит от температуры, а в случае жидкого раствора — также и от давления; последняя зависимость существенна лишь при высоких давлениях. Вид уравнения (2) определяется тем, что необходимым условием элементарного акта реакции является столкновение молекул исходных веществ, т. е. их встреча в некотором малом объёме (порядка размера молекул). Вероятность найти в данный момент в данном малом объёме молекулу А пропорциональна [А]; вероятность найти в нём одновременно а молекул А и а' молекул А' по теореме о вероятности сложного события пропорциональна [А] a[А'] a'. Число столкновений молекул исходных веществ в единичном объёме за единичное время пропорционально этой величине. Определённая доля этих столкновений приводит к реакции. Отсюда вытекает уравнение (2). Мономолекулярные реакции требуют особого рассмотрения.        

 Скорость реакции (1) в обратном направлении r- = k- [B] b [B'] b'. (3)        

Если реакция обратима, т. е. протекает одновременно в противоположных направлениях, то наблюдаемая скорость реакции r = r+ – r-. При r+ = r- осуществляется химическое равновесие. Тогда, согласно уравнениям (2) и (3),         

        

 где К = k+/k- — константа равновесия. Для газовых реакций обычно применяют равноценное уравнение         

        

где PA — парциальное давление вещества А и т.д.        

 Уравнения (2) и (3) применимы к  простой (одностадийной) реакции и  к отдельным стадиям сложной  реакции, но не к сложной реакции в целом. Уравнения (4) и (5), выражающие Д. м. з. для равновесия, справедливы и в случае сложной реакции.        

 Общим условием равновесия  по отношению к реакции (1), приложимость  которого не ограничена идеальными  системами, является уравнение         

        

в котором [А] — Активность вещества А и т.д. Уравнение (6) выводится из принципов термодинамики. С помощью Д. м. з. для равновесия вычисляют максимально достижимые степени превращения при обратимых реакциях. В число последних входят важные промышленные процессы — синтез аммиака, окисление сернистого газа и многие другие. На основе Д. м. з. для скоростей реакций получают кинетические уравнения, применяемые при расчёте химической аппаратуры.

 

10. Константа диссоциации  слабых электролитов, действие одноименного  иона.

Константа диссоциации слабого электролита - величина постоянная и практически не зависит от концентрации раствора, а зависит только от температуры: Степень же диссоциации зависит от концентрации и от присутствия в растворе электролитов с одноименным ионом.