CC BY
18
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.62.041 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 offorecasting the development of various systems are ofparticular 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
Точность
Название метода Принцип измерения Год появления Основатель метода определения / погрешность результата
Титриметри- Основан на измерении объёма как метод Ф. Декруазиль, определение
ческий метод раствора реактива известной основан в Ж. Гей-Люссак, К. состава вещества до 10-6
концентрации, расходуемого для 1780 гг. Мор,
реакции с определяемым Г. Шварценбах
веществом
Гравиметри- Основан на измерении массы 20-30е гг. Т. Бергман (метод средняя
ческий метод определяемого компонента, XIX века осаждения), погрешность 0,1 -
выделенном в виде веществ А. Лавуазье 0,2%
определённого состава (метод отгонки)
Капельный Реакции проводят на 1834 г. Ф. Рунге чувствительность
анализ фарфоровых или стеклянных пластинках или на фильтровальной бумаге, на которые наносят каплю испытуемого раствора и каплю реактива, вызывающего характерное окрашивание или образование кристаллов 1929 г. Н. Тананаев до 10"8
Метод Элемент обнаруживается по 1898 г. Ф.М. Флавицкий определение
растирания образованию при совместном наличия вещества
порошков растирании образца с реагентом характерных соединений, отличающихся по цвету или запаху по цвету либо запаху
Пирохими- Метод обнаружения некоторых Приблизит ---- определение
ческий метод химических элементов по ельно XVII наличия вещества
различному окрашиванию век по характерному
пламени окрашивании пламени
Эмиссионный Метод основан на возбуждении 1859 г. Г. Кирхгоф, предел
анализ атомов исследуемого вещества, 1928 г. Р. Бунзен обнаружения
диспергировании испускаемого Ландергард 10-3 - 10-4 %
излучения и регистрации 1955 г. Р. Муньос
положения и интенсивности в
спектре пробы спектральных
линий, соответствующим
электронным переходам
Абсорбцион- Метод основан на измерении 60-ые годы А. Уолш предел
ная степени резонансного ХХ века Б. Львов обнаружения
спектроско- поглощения Массман 10-5 - 10-8 %
пия характеристического монохроматического излучения элемента его невозбужденными атомами в газовой фазе
Люминес- Наблюдают или собственное 1864 г. Стокс обнаружение
центный свечение исследуемого образца, или свечение люминофоров, которые вводят в образец 1948 г. С.С. Вавилов массы вещества до 10-10 г
Продолжение табл. 1 - Характеристики способов проведения анализа для определения состава веществ _и материалов_
Точность
Название метода Принцип измерения Год появления Основатель метода определения / погрешность результата
Вольтамперо Метод основан на изучении 1922 г. Я. Гейровский, определение
метрический поляризационных и А.Н. Фрумкин концентраций элементов до 10-8
метод вольтамперных кривых, которые Т.А. Крюкова
(полярогра- получаются, если при моль/л
фия) электролизе раствора анализируемого вещества постепенно повышать напряжение и фиксировать при этом силу тока
Потенциомет- Метод основан на измерении 1883 г. Беренд погрешность 2 -
рический электродвижущих сил 1889 г. Нернст 10 %
метод обратимых гальванических элементов 1973 г. Б.П. Никольский
Кулономет- При прямой кулонометрии приблизите Л. Сабелледи, точность 0,1-
рический анализируемое вещество льно 1940 З. Шамодьи, 0,001%,
метод непосредственно подвергается г. С.М. Захарьевский, чувствительность
электрохимическому Ф.Ф. Тришин, до 10"8
превращению в М.Т. Козловский
кулонометрической ячейке. При
кулонометрическом титровании
определяемое вещество
реагирует с титрантом, который
получается в кулонометрической
ячейке при электролизе
специально подобранного
раствора
Кондуктомет- Метод основан на изучении 1923 г. И.И. Кольтгоф относительная
рический зависимости между погрешность 0,1-
метод электропроводностью раствора и концентрацией ионов в этом растворе. Аналитический сигнал является функцией концентрации заряженных частиц в объеме раствора 2%
Хроматогра- Основан на многократном 1903 г. М.С. Цвет предел
фический распределении веществ между обнаружения при
метод двумя фазами — неподвижной (твердая фаза или жидкость, связанная на инертном носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент) использовании высокочувствител ьных детекторов составляет 10-10%
Рентгеност- В основе данного метода лежит 1912 г. М. Лауэ, устанавливает
руктурный явление дифракции В. Фридрих и координаты атомо
анализ рентгеновских лучей на П. Книппинг в с точностью
трёхмерной кристаллической 1913 г. У. Л. Брэгг до 0,1-0,01 нм
решётке 1916 г. П. Дебай, П. Шеррер
Рентгенофлуо Атомы в пробе возбуждаются 1928 г. Глокер и Шрайбер, точность 0,001%.
ресцентный рентгеновским излучением и Фридман и Беркс
анализ испускают характеристическое рентгеновское излучение. 1948 г.
Инфракрас- Длины волн, при которых 1800 г. Уильям Гершель измерения
ная наблюдается максимальное 1882 - 1900 У. Эбни и Э. Фестинг проводят в
спектроско- поглощение ИК-излучения гг. 1903 г. Уильям Кобленц диапазоне 2,5 - 16
пия веществом, свидетельствуют о наличии в молекулах образца тех или иных функциональных групп мкм
Окончание табл. 1 - Характеристики способов проведения анализа для определения состава веществ _и материалов_
Название метода Принцип измерения Год появления Основатель метода Точность определения/ погрешность результата
Термический анализ Метод основан на регистрации тепловых эффектов, сопровождающих превращения веществ в условиях программирования температуры 1887 г. 1923 г. Ле-Шателье Аустен, Валлах Хоулдсворс и Кабб погрешность составляет 5-10%
Колориметрический метод Метод количественного определения содержания веществ в растворах по интенсивности их окраски, которая пропорциональна концентрации окрашенного вещества в растворе и толщине его слоя Конец XVIII 1870 г. В.М. Севергин Дюбоск точность от 0,1 -1,0%
Масс- спектрометрический метод Метод основан на ионизации молекул изучаемого вещества (аналита) с последующим разделением ионов по величине отношения массы к заряду и детектированием 1912 г. Дж. Дж. Томсон точность определения ±100 ррт
Как известно, любая система проходит этапы возникновения, рассвета и увядания. Графическое выражение развития любых систем представляет собой 8-образную кривую. Впервые формулу 8-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 8-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.
4S-
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 ^-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. Keiner, 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 Yu.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.
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.62.010 Веселова Н.М.1, Нехорошев Д.Д.2, Меликов А.В.3
1 Кандидат технических наук, доцент, Волгоградский государственный аграрный университет, г. Волгоград 2Кандидат технических наук, доцент, Волгоградский государственный аграрный университет, г. Волгоград 3Кандидат технических наук, доцент, Волгоградский государственный аграрный университет, г. Волгоград ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СУШКИ ЗЕРНА ЗА СЧЕТ СРЕДСТВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Аннотация
В работе была предложена конструкция солнечной сушильной установки, которая позволит снизить затраты на энергетическое топливо. Разработан способ снижения энергетических затрат сушки зерновых культур с применением солнечной энергии. Рассматривается целесообразность применения солнечной сушильной установки как дополнительный агрегат, устанавливаемый в полевых условиях для первичной обработки зерна. Данная установка предназначена для полевых условий работы в период солнечного дня и является дополнительным агрегатом в системе первичной обработки зерна. Наибольший эффект в данной установке достигается (улучшение качества семенных материалов) за счет использования солнечной энергии для создания сушильного агента определенного потенциала. Такая установка обеспечивает экологическую чистоту процесса сушки зерна, малые первичные капитальные затраты и может быть рекомендована для использования в условиях Южного федерального округа.
Ключевые слова: первичная обработка зерна, возобновляемые источники энергии, солнечный потенциал энергии, солнечные сушилки, энергосбережение.
Veselova N.M.1, Nekhoroshev D.D.2, Melikov A.V.3
1PhD in Engineering, Associate professor, Volgograd State Agrarian University, Volgograd
2PhD in Engineering, Associate professor, Volgograd State Agrarian University, Volgograd
3PhD in Engineering, Associate professor, Volgograd State Agrarian University, Volgograd ENERGY INSTALLATION FOR DRYING GRAIN USING SOLAR ENERGY
Abstract
In this work the design of solar drying installation which will allow to lower expenses for power fuel has been offered. A method to reduce the energy costs of drying grain crops using solar energy has been developed. The expediency of using a solar drying installation as an additional unit installed in the field for primary grain processing is considered. This unit is designed for field working conditions during the sunny day and is an additional unit in the primary grain processing system. The greatest effect in this installation is achieved (improving the quality of seed materials) by using solar energy to create a drying agent of a certain potential. Such an installation ensures the ecological purity of the drying process of grain, small primary capital costs and can be recommended for use in the conditions of the Southern Federal District.
Keywords: primary grain processing, renewable energy sources, solar energy potential, solar dryers, energy saving.
Сушка зерна в период послеуборочной обработки - наиболее эффективное средство обеспечения его сохранности. Применяемые в настоящее время способы сушки зерна благодаря внедрению автоматических средств и систем и применением прогрессивных режимов обеспечивают высокую производительность сушильного оборудования и требуемые показатели качества зерна. В то же время существующие системы первичной обработки зерна имеют в своем составе энергоемкие технологические процессы. Резкое повышение цен на энергоносители поставило задачу рационального использования агрегатов по первичной обработке зерна. Высокая энергоемкость сушильных агрегатов, не малые затраты энергетического топлива и электроэнергии, все это создает предпосылки для разработки способа повышения энергоэффективности первичной обработки зерна.
