МЕТОДИ НА ИЗСЛЕДВАНЕ В ХИМИЯТА Печат

МЕТОДИ НА ИЗСЛЕДВАНЕ В ХИМИЯТА

Повечето сведения за веществата, за свой­ствата и за химичните им превръщания са получени чрез химични или физикохимични експерименти. Поради това основният ме­тод, използван от химиците, е химич­ният експеримент.

Традициите на експерименталната химия се натрупват с векове. Още тогава, когато химията не е била точна наука, в древност­та и в епохата на средновековието, учените и занаятчиите понякога случайно, а поня­кога и целенасочено са откривали начини за получаване и пречистване на много ве­щества, които намирали приложение в сто­панската дейност: метали, киселини, алкал­ни основи, багрила и т.н. За натрупването на такива сведения немалко са допринасяли и алхимиците.

Благодарение на това към началото на XIX в. химиците вече добре владеели осно­вите на експерименталното изкуство и осо­бено методите за пречистване на всевъзмож­ни течности и твърди вещества, което им позволило да направят немалко важни открития. И все пак наука в съвременния смисъл на тази дума, точна наука химията става едва през XIX в., когато е открит за­конът за кратните отношения и когато за­почва разработването на атомно-молекулната теория. Оттогава химичният експери­мент започва да включва не само изучаване­то на превръщанията на веществата и начи­ните за изолирането им, но и измененията на различни количествени характеристики.

Съвременният химичен експеримент включва множество разнообразни измерва­ния. Изменени са и оборудването за поста­новката на опитите, и химическите съдове. В съвременната лаборатория няма саморъч­но направени реторти — те са заменени със стандартно стъклено оборудване, произве­дено от промишлеността и специално прис­пособено за изпълнение на една или друга химична процедура. Начините на работа също са стандартни и в наше време не е необходимо химикът да ги изобретява от­ново. Описанието на най-добрите от тях, които са проверени от многогодишен опит, може да се намери в учебниците и в ръко­водствата.

Методите за изучаване на веществата са не само универсални, но и доста по-разно­образни. Все по-голяма роля в работата на химика играят физичните и физи­кохимичните методи на изслед­ване, които са предназначени за изолиране и пречистване на съединенията, а също и за установяване на състава и структурата им.

Класическата техника за пречистване на веществата се отличава с извънредната си трудоемкост. Известни са случаи, когато за изолиране на индивидуално съединение от една смес химиците са се трудили с години. Така солите на рядко земните елементи мо­жело да бъдат изолирани в чист вид едва след хиляди и десетки хиляди фракционни при кристализации. Но и след това чистота­та на веществото съвсем не винаги можела да се гарантира.

Съвременните методи на хроматографията позволяват бързо да се отдели вещество­то от примесите (препаративна хромато­графия) и да се провери химичната му ин­дивидуалност (аналитична хроматография). Освен това за пречистване на веществата широко се използуват класическите, но вече силно усъвършенствани начини на дести­лация, екстракция и кристализация, а също и такива ефективни съвременни методи, като електрофореза, зонно стапяне и т.н.

Задачата, която стои пред химика синтетик след изолиране на чисто вещество -установяване състава и структурата на мо­лекулите му, — се отнася в значителна сте­пен към аналитичната химия. При тради­ционната техника на работа тя също би била много трудоемка. Практически единстве­ният метод на измерване, който е прилаган по-рано, е елементният анализ; той позволявал да се установи най-простата формула на съединението. За определяне на истинската молекулна, а също и на струк­турната формула нерядко се налагало изуча­ване на реакциите на веществото с различни реагенти; изолиране в индивидуален вид на продуктите на тези реакции и на свой ред установяване на тяхната структура. И така нататък — докато въз основа на тези пре­връщания структурата на неизвестното ве­щество не стане очевидна. Поради това установяването на структурната формула на сложно органично съединение нерядко отне­мало извънредно много време, като при това за пълноценна се считала такава работа, която завършвала с насрещен синтез -получаване на новото вещество в съответ­ствие с установената за него формула.

Този класически метод е извънредно полезен за развитието на химията като ця­ло. В наше време той се прилага рядко.

Като правило изолираното неизвестно ве­щество след елементния анализ се подлага на изследване с помощта на мас-спектрометрия, спектрален анализ във ви­димата, ултравиолетовата и инфрачервената област, а също на ядрен магнитен резонанс. За да се обоснове изводът на структурната формула, е необходимо прилагането на целия комплекс от методи, като при това техните данни взаимно се допълват. Но в редица случаи обикновените методи не дават еднозначен резултат и се налага да се прибегне до пряк метод за установяване на структурата, например до рентгено структурен анализ.

Физикохимичните методи намират при­ложение не само в химичния синтез. Не по-малко значение те имат и при изучаването на кинетиката на химичните реакции, а също и на техните механизми. Основна задача на всеки опит по изучаване скоростта на една реакция е точното измерване на про­тичането и във времето, като при това се работи с неголяма концентрация на реаги­ращото вещество. За решаването на тази задача, в зависимост от природата на вещес­твото, може да се използуват и хромато-графски методи, и различни видове спектра­лен анализ, и методите на електрохимията.

Съвършенството на техниката е достиг­нало такова равнище, че е възможно точно­то определяне скоростта дори на „мигно­вени", както са считали по-рано, реакции, например образуването на молекули вода от водородни катиони Н+ и от анионите ОН-. При начална концентрация на двата вида йони 1 mol/1 времето на тази реакция е няколко стомилиардни части от секундата.

Физикохимичните методи на изследване специално се приспособяват и за откриване на краткотрайни междинни частици, които се образуват в хода на химичните реакции. За тази цел приборите се снабдяват или с бързодействуващи регистриращи устройства, или с приставки, които осигуряват работа при много ниски температури. По такива начини успешно се фиксират спектрите на частиците, чиято продължителност на живот при обикновени условия се измерва с хиляд­ни части от секундата, например на свобод­ните радикали.

Освен експерименталните методи в съв­ременната химия  широко  се прилагат и изчисленията. Така например термодинамичното изчисляване на реагиращата смес от вещества позволява точно да се предви­ди нейният равновесен състав.

Пресмятанията на молекулите въз осно­ва на квантовата механика и на квантовата химия са общопризнати и в много случаи незаменими. Тези методи се опират на доста сложен математичен апарат и изискват из­ползуването   на   най-усъвършенстваните електронноизчислителни машини (ЕИМ) . Те позволяват да се създадат модели на елек­тронния строеж на молекулите, които мо­дели обясняват наблюдаваните измервани свойства на веществата. Тези изчисления се прилагат също за предвиждане свойства­та на малко устойчиви молекули или меж­динни частици, които се образуват в хода на реакциите.

Методите на изследване на веществата, разработени от химиците и от физико-химиците, са от полза не само за химията, но и за сродните науки физика, биология, геология. Без тях не може нито промишле­ността, нито селското стопанство, нито ме­дицината, нито криминалистиката. Физико­химичните прибори заемат почетно място в космическите апарати, с които се изслед­ват около земното пространство и съседни­те планети.

Ето защо познаването на основите на химията е необходимо на всеки човек не­зависимо от неговата професия, а по-ната­тъшното развитие на методите й е едно от най-важните направления на научно-техни­ческата революция.