Тема 1. Теоретические основы эколого-аналитической химии

Термины «экологическая аналитическая химия» или «эколого-аналитическая химия» («экоаналитика») появились не так давно – в конце предыдущего века [2], но постепенно все чаще начинают употребляться как в научной, так и учебной литературе наряду с ранее веденными терминами «экоаналитический мониторинг» (в частности, [3]или [4]) и «экоаналитический контроль» (например, [5]и [6]).

Появление указанных новых терминов свидетельствует о том, что на пересечении классической аналитики и экологического мониторинга (контроля окружающей среды) формируется самостоятельная область науки и практики, имеющая предметом своего изучения – химические реакции и основанные на них методы анализа наиболее часто встречающихся в окружающей среде (ОС) или наиболее опасных (вредных, токсичных) загрязняющих веществ (ЗВ).

Система образования в свою очередь реагирует на данные новации в науке формированием обновленных учебных курсов. Так родился данный курс.

Он вобрал в себя помимо особенностей химических реакций еще и принципы основанных на них методов анализа, т.е. один из крупнейших и довольно трудных разделов современной аналитики, также имеющий в основном практическое значение – «физико-химические методы анализа» (ФХМА) объектов ОС.

Остановимся на нескольких ключевых понятиях курса, перешедших в него из своих «прародителей». Так как в целом, аналитическая химия (или по-другому, химический анализ) занимается разработкой и применением методов обнаружения, концентрирования, разделения и определения веществ во всевозможных объектах, то экоаналитика включает в их число только объекты окружающей среды (ОС): воздух и атмосферные осадки, воды и донные отложения водных объектов, загрязненную почву и подземные объекты, а также некоторые другие объекты эколого-химического анализа – биологические ткани растительного и животного происхождения, продукты питания и иную продукцию, произведенную из природного сырья, а также всевозможные отходы производства и потребления и т.д.

Химический анализ, понимаемый здесь как анализ химических веществ различными методами (а не как анализ чего-то только химическими методами) включает в себя и эколого-химический анализ (ЭХА), являющийся сегодня основой контроля загрязнения окружающей среды, т.е. содержания в ней загрязняющих веществ (ЗВ) – в рамках мониторинга объектов ОС. Он позволяет обнаружить и количественно определять вредные химические вещества, а его аналог эколого-физический анализ – также физические факторы (поля и излучения, которые веществом не являются, хотя и вполне материальны), присутствующие в среде в виде примеси. Кроме того он позволяет устанавливать их характер («идентифицировать»), оценить количество или содержание и в некоторых случаях выявить источник антропогенного, а также естественного (природного) загрязнения. То есть здесь термин «эколого-химический анализ» понимается нами максимально широко и не сводится только к «анализу химическим методами» или «анализу химических веществ». Приставка «ЭКО» значительно расширяет его как и все остальное, с чем она связывается.

Эколого-химический анализ дает возможность устанавливать факт наличия и определять содержание природных компонентов (ПК) окружающей среды, информация о динамике изменения концентраций которых, также как и содержания антропогенных ЗВ служит диагностике «экологических» заболеваний. В задачи ЭХА часто входит и идентификация форм существования природных (фоновых) и загрязняющих веществ, а также и их «метаболитов» – продуктов превращений в среде, что необходимо для решения вопросов о миграции и трансформации этих веществ в окружающей среде.

Курс знакомит студентов с теоретическими основами и некоторыми особенностям практического применения классических химических и современных инструментальных методов анализа загрязняющих веществ. Впоследствии назовем и кратко охарактеризуем самые распространенные из них, опираясь на классические представления, изложенные в известном практическом руководстве [7], а также на более современные [8, 9, 10, 11 и др.].

Важно, что существует универсальный принцип аналитики - принцип определения химического состава, относящийся ко всем аналитическим методам: состав вещества определяется по его свойствам. Этот принцип, несколько видоизмененный и дополненный, работает и в экоаналитике: поведение ЗВ в ОС определяется свойствами вещества, а также свойствами самой среды.

Каждое вещество, отличающееся от других веществ своим составом и строением, обладает некоторым индивидуальным набором только ему одному присущих свойств. Растворимость, спектр поглощения или электрохимические характеристики, форма кристаллов и другие аналитические свойства изменяются при изменении состава вещества. Таким образом, определив свойства неизвестного вещества, можно отождествить его с одним из известных веществ, т.е. опознать («идентифицировать») это ранее неизвестное вещество. Для такого качественного анализа достаточно исследовать несколько характерных аналитических свойств данного вещества или продуктов некоторых его реакций.

Определяя зависимость величин, характеризующих свойства раствора, от концентрации растворенного вещества, можно проводить количественный анализ. Например, по величине оптической плотности раствора определяют концентрацию растворенного вещества.

При этом большинством химиков справедливо считается что изучение соотношений между составом и свойствами систем (как правило равновесных), состоящих из нескольких веществ, и является предметом физико-химического анализа, давно уже представляющего собой самостоятельную область химии. Результаты физико-химического анализа обычно выражают диаграммами «состав – свойство».

В экоаналитике свойства окружающей среды не менее важны, чем свойства самого вещества. Так, одно и то же соединение (например, двуокись серы) может существовать в воздухе – в форме газа, а в воде – кислоты, а в почве, скорее, всего – соли какого-нибудь щелочного металла. При этом используемые аналитические методы могут меняться (например, в воздухе – ИК, в воде – УФ, в почве – ЭХ).

Позже мы рассмотрим классификацию этих методов, а пока остановимся на главных терминах и определениях экоаналитики.