ИСТОРИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

Босикова Е.Ю.¹, Полякова М.А.²

¹ORCID: 0000-0001-8090-6475, аспирант, ²ORCID: 0000-0002-1597-8867, доцент, кандидат технических наук, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

ИСТОРИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР)

Аннотация

Сущность аналитического подхода заключается в анализе простых составляющих, из которых состоит сложный объект. В статье представлен обзор исторического развития методов определения состава веществ и материалов. Приведена классификация методов аналитической химии с оценкой точности определения состава веществ. Исходя из принципа измерения, способы определения состава веществ можно разделить на физические, химические и физико-химические. Приведены основные сведения о создании основных методов определения состава веществ и материалов.  Для анализа развития методов определения состава веществ и материалов использован системный подход. Построена S-образная кривая развития методов анализа, отражающая точность определения состава веществ и материалов. Любая система в своем жизненном цикле проходит этапы возникновения, рассвета и увядания. На примере ряда методов анализа показано, что для анализа их развития также может быть применен системный подход. Применительно к методам анализа это позволяет установить особенности их развития. Отмечается, что особую актуальность вопросы прогнозирования развития различных систем приобретают на современном этапе развития техники и технологий.

Ключевые слова: аналитическая химия, метод анализа, вещество, S-образная кривая.

Bosikova E. Yu.¹, Polyakova M.A.²

¹ORCID: 0000-0001-8090-6475, postgraduate student, ²ORCID: 0000-0002-1597-8867, PhD in Engineering, Nosov Magnitogorsk State Technical University

HISTORICAL DEVELOPMENT OF METHODS OF DETERMINATION OF THE COMPOSITION OF SUBSTANCES AND MATERIALS (OVERVIEW)

Abstract

The essence of the analytical approach is the analysis of simple components a complex object consists of. The article presents an overview of the historical development of methods for determining the composition of substances and materials. The classification of methods of analytical chemistry with an estimate of the accuracy of determining the composition of substances is given. Based on the principle of measurement, the methods for determining the composition of substances can be divided into physical, chemical and physical-chemical. Basic information is given on the creation of basic methods for determining the composition of substances and materials. To analyze the development of methods for determining the composition of substances and materials a systematic approach is used. The S-shaped curve of analysis methods development, reflecting the accuracy of determining the composition of substances and materials is constructed. Any system in its life cycle goes through the stages of origin, dawn and wilting. On the basis of a number of methods of analysis, it has been shown that a systematic approach can also be applied to analyze their development. As for the methods of analysis, this enables establishing the features of their development. It is noted that the issues of forecasting the development of various systems are of particular topicality at the present stage of the technology development.

Keywords: analytical chemistry, analytical method, substance, S-curve.

Введение

Для исследования любых проблем, касающихся как естественных, так и общественных наук обычно используют аналитический подход, который заключается в том, что проблему сначала расчленяют на более простые составляющие и изучают их по отдельности. Затем после объединения полученных таким путем отдельных решений, проблема может быть постигнута в целом. Анализ состава материалов и веществ выполняют аналогичным образом. Первичная задача анализа вещества заключается в установлении природы и количества  химических компонентов, присутствующих в системе.  После этого возможно установление состава и строения исходного исследуемого объекта в целом  [1].

В настоящее время в аналитической химии применяют разнообразные методы анализа. Для их систематизации используют различные классификационные принципы. В большинстве случаев классификация методов анализа состава веществ и материалов является условной. Сложность упорядочения способов анализа в аналитической химии заключается в сложности однозначной классификации процессов, лежащих в основе того или иного метода.

В аналитической химии обычно выделяют методы пробоотбора, разложения пробы, разделения и концентрирования компонентов, обнаружения компонентов, определения, а также гибридные методы (разделение и определение) [1]. Чаще всего методы определения делят на химические, физические и физико-химические. Причем последние две группы чаще всего объединяют в одну ввиду открытий новых принципов анализа, совершенствования используемой аппаратуры и инструментария, поэтому их все чаще объединяют в одну группу под названием инструментальные метода анализа. Такие методы, в свою очередь, можно разделить на подгруппы на основе используемых эффектов, например, спектральные (оптические), электрохимические, хроматографические и другие. Также среди инструментальных методов существуют способы анализа, которые сложно отнести к той или иной группе, например, термический анализ или колориметрию.

Материалы и методы исследования

Выбор того или иного метода, а впоследствии и методики проведения анализа зависит от многих факторов. Например, количество пробы для анализа, условия проведения и допустимое время анализа, наличие необходимого оборудования, затраты и др. Важнейшими факторами проведения анализа является точность и чувствительность анализа. Поэтому одной из важных задач, которые необходимо решить при выборе метода анализа, является аналитический обзор характерных особенностей существующих методов и точности определения состава вещества.

Результаты и обсуждение

В таблице  [2], [3], [4] приведены основные способы проведения анализа с краткой характеристикой методов аналитической химии.

 

Таблица 1 – Характеристики способов проведения анализа для определения состава веществ и материалов

   

Как известно, любая система проходит этапы возникновения, рассвета и увядания. Графическое выражение развития любых систем представляет собой S-образную кривую.  Впервые формулу S-образной кривой вывел бельгийский математик Пьер Ферхюльст для описания численности населения, и назвал кривую логистической [5, 6]. Большой вклад в развитие подхода внес Раймонд Перл, применивший его для описания изменений численности популяций организмов и численности населения. Генрих Альтшуллер связал кривую с количеством и качеством изобретений, появляющихся в процессе жизни технической системы. В настоящее время S-образная кривая применяется не только для изучения динамики развития систем, но также для решения задач прогнозирования [6]. На рисунке представлена графическая интерпретация развития методов аналитической химии.

Применительно к методам анализа данный подход позволяет установить особенности их развития. На этапе становления  способ определения вещества имеет множество недостатков. Факторы развития на первом этапе основаны на энтузиазме либо одного, либо группы ученых, которые разрабатывают метод и пытаются его усовершенствовать имеющимися у них ресурсами. Факторами торможения являются недостаток ресурсов, сопротивление надсистемы и окружающей среды.

Например, атомно-эмиссионная спектроскопия как метод анализа развивался довольно длительное время. Исаак Ньютон еще в 1666 году с помощью призмы разложил солнечный свет на окрашенные составляющие, Томас Малвилл в 1752 году сообщил о наблюдении спектра пламени. Шотландский рабочий У. Тэлбот для изучения спектра пламени изготовил прибор – спектроскоп (1826 год). Первое фотографирование спектра осуществил в 1840 году Дж. Гершель. Однако истинными создателями спектрального анализа считаются Г. Кирхгофф и Р. Бунзен [3]. В 1859 году они активно развивали технику спектрального анализа и внесли существенный вклад в его изучение, их работы приходились на время научно-технического прогресса и были востребованы в науке и промышленности.  То есть понадобилось двести лет для того, чтобы спектроскопия как метод анализа состава вещества начала развиваться и получила применение.

Рис. 1  – S-образные кривые развития методов анализа аналитической химии

 

После этапа возникновения наступает следующий этап – этап интенсивного развития системы с быстрым ростом ее параметров. Метод быстро совершенствуется и развивается. Например, масс-спектрометрия, открытая в 1912 году Дж. Томсоном, начала активно развиваться в годы Второй мировой войны, когда понадобился изотопный анализ, и необходимо было определять состав урана. Хроматография, открытая в 1903 году М.С. Цветом, в течение нескольких десятилетий не привлекала всеобщего внимания, пока данным методом не заинтересовались немецкие и швейцарские ученые (Р. Кун, А. Винтерштейн, Е. Ледерер), занимавшиеся главным образом химией биологически активных веществ [3].

К концу этапа развития появляются новые, тормозящие факторы развития системы [5]. Исчерпываются резервы развития концепции системы, например, появляются другие, более совершенные методы. Наступает третий этап – этап увядания старой системы. На данном этапе, как правило, метод определения состава вещества не исчезает вовсе, а занимает свою конкретную нишу, при этом далее не развивается, либо развивается крайне незначительно. Что и произошло, например, с методом электрогравиметрии, открытым в 1864 году У. Гиббсом. На данный момент электрогравиметрия применяется в аналитических лабораториях крайне редко, так как его вытеснил другой электрохимический метод, также основанный на исследованиях Фарадея – кулонометрия.

Заключение

Таким образом, теория развития систем позволяет не только провести анализ становления методов определения состава веществ и материалов, но также предпринять попытку прогнозирования их дальнейшего развития [7, 8]. Когда технологические и эволюционные изменения технической системы приводят к улучшению ее характеристик, то дальнейшее ее развитие принимает эволюционный характер. Однако со временем каждое последующее нововведение является все менее и менее эффективным, т.е. всякое принципиально новое направление техники не беспредельно, рано или поздно наступает предел роста результативности системы. Складывается объективная необходимость создания новой системы, основанной на новом принципе действия, перехода на следующую S-образную кривую развития.

Список литературы / References

1. Аналитическая химия. Проблемы и подходы. / Под ред. Р. Кельнера, Ж. Р. Мерме, М. Отто, Г. М. Видмера. В 2-х томах. – М.: Мир, 2004. - 768 с.
2. Золотов, Ю. А. История и методология аналитической химии. / Ю.А. Золотов, В.И. Вершинин. - М.: Академия, 2007. - 464 с.
3. Основы аналитической химии. Кн. 1. / Под ред. Ю.А. Золотова. – М.: Высшая школа, 2004. – 361 с.
4. Основы аналитической химии. Кн. 2. / Под ред. Ю.А. Золотова. – М.: Высшая школа, 2004. – 503 с.
5. Коротаев, А. В. Законы истории. Математическое моделирование исторических макропроцессов. Демография, экономика, войны. / А.В. Коротаев, А.С. Малков, Д.А. Халтурина. - М. : КомКнига, 2007. - 224 с.
6. Мартино, Дж. Технологическое прогнозирование. Пер. с англ. / Дж. Мартино. – М.: Прогресс, 1977. – 591 с.
7. Rubin, G. Simulation of technological parameters changing with the satiation effect. / G. Rubin, M. Polyakova, G. Gun. // Proceedings of the 2015 International Conference on Modeling, Simulation and Applied Mathematics. Ed. by M. Gholami, R. Jiwari, A. Tavasoli. – 2015. - Vol. 122. – Р. 178-181.
8. Рубин, Г. Ш. Моделирование технологического трансформирования на основе S-образных кривых развития. / Г.Ш. Рубин, М.А. Полякова, Г.С. Гун // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2015. - № 1. - С. 70-75.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Analiticheskaya khimiya. Problemy i podkhody. [Analytical Chemistry. Problems and Approaches]. / Edited by. R. Kelner, Zh. R. Merme, M. Otto, G. M. Vidmer. In 2 volumes. – M.: Mir, 2004. - 768 p.
2. Zolotov Yu. A. Istoriya i metodologiya analiticheskoi khimiyi [History and Methodology of Analytical Chemistry]. / Yu.A. Zolotov, V.I. Vershynin. - M.: Akademiya, 2007. - 464 p.
3. Osnovy analiticheskoi khimiyi [Fundamentals of Analytical Chemistry]. Book 1. / Edited by A. Zolotov. – M.: Vysshaya shkola, 2004. – 361 p.
4. Osnovy analiticheskoi khimiyi [Fundamentals of Analytical Chemistry]. Book 2. / Edited by Yu.A. Zolotov. – M.: Vysshaya shkola, 2004. – 503 p.
5. Korotaev A. V. Zakony istorii. Matematicheskoye modelirovaniye istoricheskikh makroprotsessov. Demografiya, ekomomika, voiny. [Laws of History. Mathematical Modeling of Historical Macroprocesses. Demography, Economics, Wars]. / A.V. Korotaev, A.S. Malkov, D.A. khalturina. - M.: KomKniga, 2007. - 224 p.
6. Martino Dzh. Tekhnologicheskoye prognozirovaniye [Technological Forecasting]. Translated form English. / Dzh. Martino. – M.: progress, 1977. – 591 p.
7. Rubin, G. Simulation of technological parameters changing with the satiation effect. / G. Rubin, M. Polyakova, G. Gun. // Proceedings of the 2015 International Conference on Modeling, Simulation and Applied Mathematics. Ed. by M. Gholami, R. Jiwari, A. Tavasoli. – 2015. - Vol. 122. – Р. 178-181.
8. Rubin G. Sh. Modelirovaniye tekhnologicheskogo transformirovaniya na osnove S-obraznykh krivykh razvitiya [Modeling of Technological Transformation Based on S-shaped Development Curves]. / G.Sh. Rubin, M.A. Poliakova G.S. Gun // Bulletin of Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov. - 2015. – No.1. - P. 70-75.