Аналити́ческая хи́мия — наука, развивающая теоретические основы химического анализа веществ и материалов и разрабатывающая методы идентификации, обнаружения, разделения и определения химических элементов и их соединений, а также методы установления химического состава веществ. Проведение химического анализа в настоящее время заключается в получении информации о составе и природе вещества.

В зависимости от задач, аналитическая химия подразделяется на качественный анализ, нацеленный на определение того, что (или какие вещества), в какой форме находится в образце, и количественный анализ, нацеленный на определение сколько данного вещества (элементов, ионов, молекулярных форм и др.) находится в образцеА. В. Сапожников «Анализ химический или аналитическая химия» // Большая советская энциклопедия, 1 издание, — М.: Советская энциклопедия, 1926, Т. 2, С. 592..

В задачи качественного анализа входит:

установление присутствия (обнаружение, открытие) в пробе тех или иных компонентов (молекул, атомов, ионов); идентификация веществ и компонентов в пробе неизвестного состава (установление их аналогии соответствующим эталонам).

Задачи количественного анализа — определение содержания или концентрации компонентов в пробе.

Предмет её как науки — совершенствование существующих и разработка новых методов анализа, поиск возможностей их практического применения, исследование теоретических основ аналитических методов.

Деление химического анализа на качественный анализ и количественный анализ в определённой степени условно. Если компонент не обнаружен в пробе, то его содержание ниже некоторого предела, ограничиваемого используемым методом. Когда состав анализируемой пробы неизвестен, сначала проводят качественный анализ и только после этого приступают к количественным измерениям. Для этих задач применяют химические, инструментальные (физические и физико-химические) и биологические методы анализа.

Определение элементного состава материальных объектов называют элементным анализом. Установление строения химических соединений и их смесей на молекулярном уровне называют молекулярным анализом. Одним из видов молекулярного анализа химических соединений является структурный анализ, направленный на исследование пространственного атомного строения веществ, установление эмпирических формул, молекулярных масс и др. (см. рентгеноструктурный анализ). В задачи аналитической химии входит определение характеристик органических, неорганических и биохимических объектов. Анализ органических соединений по функциональным группам называют функциональным анализом.

История Аналитическая химия существует с тех пор, как существует химия в современном её смысле, а многие применяемые в ней приёмы относятся к ещё более ранней эпохе, эпохе алхимии, одной из главных задач которой было именно определение состава различных природных веществ и изучение процессов их взаимных превращений. Но, по мере развития всей химии в целом, значительно совершенствовались и применяемые в ней методы работы, и, наряду со своим чисто служебным значением одного из вспомогательных отделов химии, аналитическая химия в настоящее время имеет значение совершенно самостоятельного отдела химического знания с очень серьёзными и важными задачами теоретического характера. Очень важное влияние на развитие аналитической химии имела современная физическая химия, обогатившая её рядом совершенно новых методов работы и теоретических оснований, к числу которых нужно отнести учение о растворах, теорию электролитической диссоциации, закон действующих масс (см. Химическое равновесие) и всё учение о химическом сродстве.

Методы аналитической химии

Сравнение методов аналитической химии Совокупность традиционных методов определения состава вещества путём его последовательного химического разложения получила название «мокрой химии» («мокрый анализ»). Эти методы обладают относительно низкой точностью, требуют относительно невысокой квалификации аналитиков и ныне почти полностью вытеснены современными инструментальными методами (оптическими, масс-спектрометрическими, электрохимическими, хроматографическими и другими физико-химическими методами) определения состава вещества. Однако у мокрой химии есть своё преимущество перед спектрометрическими методами — она позволяет путём проведения стандартизованных процедур (систематический анализ) напрямую определять состав и разные окислительные состояния элементов, таких как железо (Fe+2, Fe+3), титан и др.

Аналитические методы можно разделить на валовые и локальные. Для валовых методов анализа обычно требуется отделённое, измельчённое вещество (представительная проба). Локальные методы определяют состав вещества в самом образце, что позволяет составлять «карты» распределения химических свойств образца по его поверхности и/или глубине. Следует также выделить методы прямого анализа, то есть не связанного с предварительной подготовкой пробы. Часто подготовка проб необходима (напр., измельчение, предварительное концентрирование или разделение). При подготовке проб, интерпретации результатов, оценке числа анализов используются статистические методы.

Методы качественного химического анализа Для определения качественного состава какого-либо вещества необходимо изучить его свойства, которые с точки зрения аналитической химии, могут быть двоякого рода: свойства вещества как такового и свойства его в химических превращениях.

К числу первых относятся: физическое состояние (твёрдое вещество, жидкость, газ), структура его в твёрдом состоянии (аморфное или кристаллическое вещество), цвет, запах, вкус и др. При этом нередко уже по одним только внешним свойствам, определяемым при помощи органов чувств человека, представляется возможным установить природу данного вещества. В большинстве же случаев приходится превращать данное вещество в какое-либо новое с ясно выраженными характерными свойствами, пользуясь для этой цели некоторыми специально подбираемыми соединениями, носящими название реактивов.

Применяемые в аналитической химии реакции крайне разнообразны и находятся в зависимости от физических свойств и степени сложности состава изучаемого вещества. В том случае, когда химическому анализу подлежит заведомо чистое, однородное химическое соединение, работа производится сравнительно легко и быстро; когда же приходится иметь дело со смесью нескольких химических соединений, вопрос о её анализе усложняется, и при производстве работы нужно держаться некоторой определённой системы, чтобы не допустить ошибок в обнаружении какого-либо из компонентов, входящих в состав анализируемого вещества. В аналитической химии существует два рода реакций: реакции мокрым путём (в растворах) и реакции сухим путём.

Реакции в растворах В качественном химическом анализе применяются только такие реакции в растворах, которые легко воспринимаются человеческими органами чувств, причём момент появления реакции узнаётся по одному из следующих явлений: Образование нерастворимого в воде осадка; Изменение окраски раствора; Выделение газа и т. п.

Образование осадка в реакциях химического анализа зависит от образования какого-либо нерастворимого в воде вещества; если, например, к раствору какой-либо соли бария прибавить расвор серной кислоты или сульфата, образуется белый порошкообразный осадок сульфата бария: BaCl2 + H2SO4 = 2HCl + BaSO4↓

Имея в виду, что подобную же реакцию образования белого осадка под действием серной кислоты могут дать некоторые другие металлы, например, свинец, способный образовать нерастворимую сернокислую соль PbSO4, для полной уверенности в том, что это именно тот или другой металл, необходимо производить ещё поверочные реакции, подвергая соответственному исследованию образовавшийся в реакции осадок.

Для успешного проведения реакции образования осадков, кроме подбора соответственного реактива, необходимо ещё соблюдать ряд очень важных условий в отношении концентрации растворов исследуемой соли и реактива, пропорции того и другого, температуры, продолжительности взаимодействия и т. д. При рассмотрении осадков, образующихся в реакциях химического анализа, необходимо обращать внимание на их внешний вид, то есть на цвет, структуру (аморфные или кристаллические осадки) и другие характеристики, а также на их свойства в отношении влияния на них нагревания, кислот или щелочей и других веществ. При взаимодействии слабых растворов необходимо выжидать иногда образования осадка до 24—48 часов, при условии сохранения их при некоторой определённой температуре.

Реакция образования осадка, независимо от её качественного значения в химическом анализе, нередко применяется для отделения некоторых элементов друг от друга. С этой целью на раствор, содержащий соединения двух или нескольких элементов, действуют соответственным реактивом, способным перевести некоторые из них в нерастворимые соединения, и затем посредством фильтрования отделяют образовавшийся осадок от раствора (фильтрата), производя дальнейшее исследование их отдельно. Если взять, например, соли хлористого калия и хлористого бария и прибавить к ним серной кислоты, то образуется нерастворимый осадок сульфата бария BaSO4 и растворимый в воде сульфат калия К2SO4, которые далее могут быть разделены посредством фильтрования. При этом отделении осадка нерастворимого в воде вещества от раствора необходимо позаботиться прежде всего о том, чтобы он получил соответственную структуру, позволяющую без труда произвести работу фильтрования, а затем, собрав его на фильтре, необходимо тщательно отмыть его от посторонних примесей. По исследованиям Вильгельма Оствальда, нужно при этом иметь в виду, что при употреблении определённого количества воды для промывания более целесообразно промывать осадок много раз небольшими порциями воды, чем наоборот — немного раз большими порциями. Что касается успешности проведения самой реакции отделения какого-либо элемента в виде нерастворимого осадка, то, на основании теории растворов, Оствальд установил, что для достаточно полного отделения какого-либо элемента в виде нерастворимого осадка необходимо всегда брать избыток реактива, служащего для осаждения.

Изменение окраски раствора является одним из очень важных признаков в реакциях химического анализа и имеет очень важное значение, в особенности в связи с процессами окисления и восстановления, а также в работах с химическими индикаторами (см. ниже — алкалиметрия и ацидиметрия).

Примерами цветных реакций в качественном химическом анализе могут служить следующие: роданистый калий KSCN даёт характерное кровяно-красное окрашивание с солями железа(III); с солями железа(II) тот же реактив не даёт окраски. Если к раствору хлорида железа(II) FeCl2, бледно-зелёного цвета прибавить окислитель, например, хлорную воду, происходит окрашивание раствора в жёлтый цвет благодаря образованию хлорида железа(III) FeCl3, содержащего высшую степень окисления этого металла. Если взять дихромат калия K2Cr2O7 оранжевого цвета и прибавить к нему в растворе немного серной кислоты и восстановитель, например, этиловый спирт, происходит изменение оранжевой окраски в тёмно-зелёную, соответствующую образованию низшей степени окисления хрома в виде соли сульфата хрома Cr2(SO4)3.

В зависимости от хода химического анализа в нём нередко приходится производить подобные процессы окисления и восстановления. Важнейшими окислителями служат: галогены, азотная кислота, пероксид водорода, марганцовокислый калий, двухромовокислый калий; важнейшими восстановителями являются атомарный водород в момент выделения H0, сернистый водород H2S, сернистая кислота H2SO3, хлористое олово SnCl2, йодистый водород HI.

Реакции выделения газов в растворах при выполнении качественного химического анализа, как правило, не имеют самостоятельного значения и являются реакциями вспомогательными; чаще всего приходится встречаться, например, с выделением углекислого газа CO2 — при действии кислот на углекислые соли, сероводорода H2S — при разложении сульфидов металловпод действием кислот.

Реакции сухим путём