АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ К.х.н. Токарев Сергей Дмитриевич Лаб. 107 фотоактивных супрамолекулярных систем Лаб. 135 по разработке хелаторов и их конъюгатов с молекулами-векторами для получения радиофармпрепаратов ИНЭОС им. А.Н. Несмеянова РАН 2023 • 2 контрольные по 20 баллов: - Химические равновесия в аналитической химии, титрование - Гравиметрия, экстракция, хроматография • 5 домашних заданий по 4 балла и Практикум зачет/незачет ИЛИ 20 баллов за практикум, мы пока не решили со Светланой Владимировной • 3 домашних задания не на баллы • Итого 60 баллов за семестр tokarev@ineos.ac.ru 2 Нед. 1 пара 2 пара 1 Лекц. Вводная Лекц. Метрологические основы 2 Лекц. Виды равновесий, титрование Сем. Виды равновесий ДЗ не на баллы 3 Лекц. Кислотно-основное равновесие Лекц. Кислотно-основное титрование 4 Сем. Кислотно-основное равн. и титр. ДЗ Лекц. Реакции комплексообразования 5 Лекц. Комплексометрическое титрование Сем. Комплексообр. и комплексометрическое титр. ДЗ 6 Лекц. ОВ равновесие Сем. ОВ равновесие ДЗ 7 Лекц. ОВ титрование Сем. ОВ титрование ДЗ не на баллы 8 Контрольная 1 Лекц. Равновесие осадок-раствор 9 Лекц. Виды загрязнений осадков Сем. осадок-раствор и гравиметрия ДЗ 10 Лекц. Методы разделения и концентрирования 11 Лекц. Пробоотбор и пробоподготовка Сем. Методы разделения и концентрирования ДЗ не на баллы Лекц. Теория хроматографии 12 Сем. Теория хроматографии ДЗ Лекц. Газовая хроматография 13 Лекц. Жидкостная хроматография Лекц. Планарная и проч. виды хроматографии 14 Контрольная 2 Лекц. Оптическая спектроскопия 15 Лекц. Атомно-эмиссионная, атомноадсорбционная и другие виды спектроскопии Лекц. Молекулярная спектроскопия Сем. Атомно-эмиссионная, атомно-адсорбционная и другие виды спектроскопии Досдача к экзамену 16 3 Учебная литература • Основы аналитической химии. В 2 тт. Под ред. Ю.А. Золотова. М.:Высшая школа, 2004 (2012) • Дорохова Е.Н., Прохорова Г.В., Задачи и вопросы по аналитической химии. М.: Мир. 2001 • Жуков А.Ф., Колосова И.Ф., Кузнецов В.В., и др. Аналитическая химия. Физические и физико-химические методы анализа. М.:«Химия». 2001. 4 Лекция 1 Вводная 5 Аналитическая химия Существует с глубокой древности (Египет, Древняя Греция, Вавилон,…) в виде химического анализа: испытания руд, оценка качества драгоценных металлов и сплавов Химический анализ – получение информации о качественном и количественном составе веществ. 6 Аналитическая химия Как наука возникла в XVIII веке (Р. Бойль, Т. Бергман), до середины XIX века была основной частью химии – наука, развивающая общую теорию, методы и средства определения химического состава вещества и разрабатывающая способы анализа различных объектов. – наука об определении химического состава веществ и отчасти их химического строения, наука о методах и средствах химического анализа 7 Аналитическая химия Главное содержание аналитической химии – создание и совершенствование методов и средств анализа (приборы, реактивы, стандартные образцы, программы) Отвечает на следующие вопросы: • Из чего состоит вещество: какие компоненты и в каких количествах входят в его состав • В какой форме данный компонент присутствует в веществе 8 Химический анализ – один из самых распространенных видов деятельности химиков Распределение химиков в США (%) по роду занятости, 1998-99 гг.: Аналитики – 20 Органики – 14 ВМС – 12 Физхимики – 9 Химики-медики – 7 Неорганики – 5 Биохимия – 9 Агрохимики - 3 Распределение дипломников Химического факультета МГУ по специализации, 2023 г.: Органическая химия - 37 Медицинская химия - 17 Аналитическая химия - 26 Биоорганическая химия - 20 Физическая химия - 18 Радиохимия - 13 Неорганическая химия - 12 Нанобиоматериалы - 11 9 Место аналитической химии среди других отраслей знаний Экология Космонавтика Океанология Биология Геохимия Криминалистика Медицина Археология Сельское хозяйство Аналитическая химия Химия Физика Принципы, закономерности Техника Технические приемы, 10 способы регистрации сигнала Аналитическая химия – научная основа химического анализа. Химический анализ – совокупность действий по получению информации о химическом составе объекта. Химический анализ – это средство: • Контроля производства и качества продукции в различных отраслях промышленности – химической, фармацевтической, пищевой, нефтеперерабатывающей, металлургической и т.д. • Контроля загрязненности окружающей среды, пищевых продуктов • Медицинской диагностики • Борьбы с терроризмом и преступностью 11 Аналитическая химия – научная основа химического анализа. Химический анализ – совокупность действий по получению информации о химическом составе объекта. Классификация: • По общей задаче: - качественный (что?), - количественный (сколько?) • По природе определяемых частиц: - изотопный, - Элементный (атомно-ионный), - вещественный, - функциональный (структурно-групповой), - молекулярный, - фазовый 12 Химический анализ – совокупность действий по получению информации о химическом составе объекта. Классификация: • По существу решаемой задачи: - валовый – локальный, - деструктивный – недеструктивный, - контактный – дистанционный, - дискретный – непрерывный. • По количеству определяемого вещества: - макроанализ (>100 мг, 10-100 мл), - полумикро- (10-100 мг, 0.1-10 мл), микро- (<10 мг, 0.01-1 мл), - субмикро- (1-0.1 мг, <10 мкл), ультрамикро- (<0.1 мг, <1 мкл) 13 Методы аналитической химии: • Пробоотбора • Разложения пробы • Разделения компонентов • Обнаружения компонентов (что?) • Определения содержания (сколько?) • Гибридные (разделение + определение) 14 Методы определения: • Химические Основаны на химических реакциях – изменении химического состава. • Физические Основаны на физических явлениях и процессах, например взаимодействии пробы с потоком электронов, фотонов, нагревании в плазме и т.д. • Биологические Основаны на взаимодействии химических веществ с живыми организмами 15 Метод анализа – достаточно универсальный и теоретически обоснованный способ определения состава безотносительно к определяемому компоненту и анализируемому объекту Гравиметрический метод анализа – определение массы соединения, содержащего или теряющего определяемый компонент Методика анализа – подробное описание всех этапов анализа данного объекта на заданные компоненты с использование предварительно выбранного метода Методика гравиметрического определения: условия осаждения малорастворимого соединения, способ отделения осадка от раствора, перевод осадка в удобную для взвешивания форму и т.д. 16 Объекты анализа Воды Полимеры Пищевые продукты Объекты электроники Горные породы Нефть Моющие средства Почвы Воздух Биологические и медицинские Пестициды Объекты криминалистики Покрытия Стали и сплавы Топливо Удобрения 17 Типы анализируемых проб воды • Морские • Подземные • Поверхностные • Сточные воды производств • Сточные воды коммунальных служб • Особо очищенные воды (АЭС, промышленные) 18 Классификация объектов анализа: • По агрегатному состоянию: твердые, жидкие, газы • По химической природе: неорганические, органические, биологические • По происхождению: промышленные, археологические, медицинские, окружающей среды • По требованиям к анализу: особо чистые вещества – высокая точность, воздух рядом с заводом – невысокая точность, но непрерывность • По степени распространенности и важности: лекарства, черные металлы, топливо – автомобильное и ракетное 19 Особенности объектов анализа: • Микропробы • Трудно повторить анализ • Часто требуется недеструктивный анализ • Особая роль идентификации, сличения • Оперативность, экспрессность • Массовость: кровь на сахар, зерно на влажность, молоко на содержание жира или антибиотиков, алкотестеры, вода в бассейне на хлор и мочевину и т.д. 20 Выбор метода анализа В основе выбора метода: • Существо решаемой проблемы (что или сколько чего-то надо определить – количественный или качественный анализ; что представляет собой определяемый компонент – элемент, изотоп, молекула,…) • Содержание определяемого компонента в образце (>0,1% химические, <0,1% - физические и биологические) • Размер пробы и ее агрегатное состояние • Требуемая степень точности результатов анализа 21 Содержание определяемого компонента в образце • Диапазон концентраций, в котором может присутствовать определяемый компонент (10-8 - х·10%) • Количество анализируемого образца, которое может быть получено для анализа (руда, сплав, кровь, космические объекты, судебная экспертиза) 22 В основе выбора метода также: • Другие компоненты, присутствующие в образце • Физические и химические свойства образца • Требуемая экспрессность анализа • Количество анализируемых проб • Стоимость анализа • Специфические требования 23 Процесс решения аналитической задачи Задача, поставленная заказчиком Аналитическая задача Выбор метода под объект исследования Отбор пробы Пробоподготовка Измерение Обработка результатов Метод анализа Методика анализа 24 На этапе измерений получают: Значение некой физической величины, функционально связанной с содержанием компонента (сила тока, ЭДС, оптическая плотность, масса,…) Аналитический сигнал – Среднее измерений физической величины на заключительной стадии анализа, функционально связанной с содержанием компонента А.С. = f(C) С – г, мг, мкг; моль/л; М, мМ, мкМ, г/л, мг/м3,… 25 Характеристики методов анализа • Чувствительность (как мало можем определить?) • Точность (погрешность анализа, какая ошибка?) • Селективность (избирательность) • Экспрессность • Стоимость • Возможность автоматизации 26 Чувствительность • Предел обнаружения (сmin, cмин) – наименьшее содержание компонента, при котором по данной методике можно обнаружить его присутствие с заданной доверительной вероятностью • Нижняя граница определяемых концентраций (сн) – наименьшее содержание компонента, которое можно определить по данной методике с относительным стандартным отклонением ≤0.33 Пути повышения чувствительности: • Развитие новых методов • Концентрирование • Использование «умножающих» реакций 27 Требования к чувствительности -lg c, % 12 10 8 4 T, лет 60-е 80-е 2000-е 2010-е 28 Селективность (избирательность) • IUPAC: избирательны те методы, с помощью которых в данных условиях можно обнаружить или определить небольшое число компонентов • Специфические методы позволяют определять какой-либо 1 компонент Количественная характеристика избирательности – коэффициент селективности – отношение концентраций мешающего и определяемого компонентов, которые можно различить КВ/А = СВ/СА Существуют универсальные методы, позволяющие избирательно определять многие компоненты (хроматография) 29 Экспрессность и стоимость • Требования к экспрессности и стоимости одного анализа зависят от числа анализируемых образцов в единицу времени • Число анализируемых образцов также обуславливает целесообразность затрат на монтаж оборудования, приготовления больших объемов реагентов, наем персонала и т.д. • Экспрессные анализы часто менее точные • Экспрессные анализы особенно нужны «в поле» 30 Автоматизация • Важна при массовых серийных анализах • Уменьшает трудоемкость, снижает погрешности, увеличивает экспрессность • Обычно очень дорого стоит 31 Тенденции развития аналитической химии: • Автоматизация массового химического анализа • Математизация: статистическая обработка данных, нейросетевая обработка изображений, мат. моделирование, составление и использование банков данных, разработка систем сопоставления и сличения • Переход от селективности к универсальности: замена селективных методик и приборов на системы «электронный нос» • Миниатюризация приборов 32 Актуальные направления развития аналитической химии: • Решение проблем молекулярной биологии, биохимии, медицины • Эффективный контроль пищевых продуктов • Контроль объектов окружающей среды • Определение крайне низких содержаний аналитов в сложных системах • Решение проблем борьбы с терроризмом, криминалистический анализ 33 Аналитическая химия развивает актуальные направления за счет совершенствования и изменения методологии: • Перемещение лаборатории в «поле» • Миниатюризация приборов • Экономичность массовых анализов • Экспрессность массовых анализов • Развитие новых методов анализа, преимущественно биологических и физических • Совершенствование существующих типов анализа (изменение температурного режима, настройка компонентов и агрегатов, пробоподготовки, уточнение времени реакции и т.д.) • Гибридизация методов анализа 34 Для успешного развития аналитической химии и организации эффективного контроля химического состава необходимы: • Приборы, оснащенные устройствами для автоматизированной подготовки проб и обработки результатов анализа • Химические реактивы высокой чистоты (ч.д.а., х.ч., ос.ч.) • Стандартные образцы (СО) – образцы веществ, состав которых типичен для определенного класса анализируемых материалов, определен с высокой точностью и не изменяется при хранении, удостоверен специальным свидетельством (министерства, ведомства) • Научная литература: Журнал аналитической химии, Analytical Chemistry, Analytica Chimica Acta, Journal of Chromatography A, Analytical and Bioanalytical Chemistry, Forensic Chemistry,… 35