Физико-химические методы мониторинга ОС

Физико-химические методы мониторинга окружающей среды – методы контроля химических веществ, загрязняющих окружающую среду. Они делятся на:

- качественные методы - позволяют определить, какое вещество находится в испытуемой пробе;

- количественные методы;

- гравиметрический метод. Суть метода состоит в определении массы и процентного содержания какого-либо элемента, иона или химического соединения, находящегося в испытуемой пробе;
Гравиметрия (весовой анализ) — метод количественного анализа в аналитической химии, который основан на изменении массы определяемого компонента, выделенном в виде веществ определённого состава.

Используется уравнение химической реакции типа: aX + bR = XaRb для получения осадка XaRb

При выполнении весовых определений определяемый компонент смеси, или составную часть (элемент, ион) вещества количественно связывают в такое химическое соединение, в виде которого она может быть выделена и взвешена (так называемая гравиметрическая форма, ранее она именовалась «весовая форма»). Состав этого соединения должен бытьстрого определённым, то есть точно выражаться химической формулой, и оно не должно содержать каких-либо посторонних примесей.

В гравиметрии используются различные неорганические и органические химические соединения. Так, например, 1,2,3-Бензотриазол применяется для гравиметрического определения металлов: меди, серебра, цинка и др.

Вершины своего развития весовой анализ достиг в 1950-е годы, когда ещё не было широкого применения спектральных и хроматографических методов.

В настоящее время он остаётся своеобразным эталоном, методической базой при разработке и аттестации других методов.

В гравиметрии есть три метода: отгонка, осаждение и выделение.

Гравиметрические методы применяют редко. Основное их достоинство — исключается построение калибровочных графиков (построение графика при анализе многокомпонентных смесей затруднительно, из-за невозможности приготовления стандартной смеси, точно моделирующей пробу, не зная заранее состава пробы). Гравиметрические методы применяют в качестве арбитражных при определении магния, натрия, кремнекислоты, сульфат-ионов, суммарного содержания нефтепродуктов, жиров.^[1]

[править]Применение гравиметрического анализа

· определение гигроскопической влаги в почве

· содержание сухого вещества в плодах и овощах

· кристаллизационную воду в солях

· зольность топлива

· содержание элементов в веществах

· установление формулы вещества

· и т. д.

[править]Методы гравиметрии

[править] Метод осаждения

Навеску анализируемого вещества растворяют в воде или другом растворителе и осаждают определяемый элемент реактивом в виде малорастворимого соединения. Полученный осадок отфильтровывают, промывают, высушивают, прокаливают и взвешивают. Зная массу осадка, вычисляют содержание определяемого элемента в массовых долях или процентах от взятой навески.

Поскольку осаждённое вещество может не соответствовать тому, что получается после прокаливания, различают осаждаемую и гравиметрическую форму осадка.

Например: CaCl₂ + (NH₄)₂C₂O₃ = CaC₂O₃ + 2(NH₄)Cl

где CaC₂O₃ будет являться осаждаемой формой, так как при прокаливании он изменяет свой состав:

CaC₂O₃ = CaO + CO₂↑ + CO↑

[править] Метод выделения

Основан на выделении определяемого компонента из анализируемого вещества и его точном взвешивании. Например определение золы в твердом топливе.

[править] Метод отгонки

В этом методе определяемый компонент выделяют в виде летучего соединения действием кислоты или высокой температуры. Возможны различные варианты этого метода:

· определяемый компонент выделяют в виде летучего соединения и поглощают поглотителем. Расчёт ведут по изменению массы поглотителя

· отгоняемое вещество отгоняют и отгон (дистиллят) взвешивают

· вещество взвешивают, совершают отгон и вновь взвешивают. Расчёт производят по уменьшению массы навески.

[править]Отбор средней пробы и ее подготовка к анализу

[править] Способы отбора средних проб

Способы отбора средних проб зависят от особенностей анализируемого материала, цели определения. Например, в производстве бывает необходимо определить средний химический состав большой партии неоднородного материала. При этом подготовка вещества к анализу сводится к отбору средней пробы. Она должна быть составлена из большого числа мелких порций, взятых в разных местах исследуемого материала. Если же исследуемый материал однородный, то не нужно брать многочисленные порции из разных мест материала.

[править] Виды средних проб

· Первичная или генеральная

Отбирается на первом этапе от большой массы материала, непригодна для анализа, так как она слишком велика и неоднородна. Генеральная проба должна быть представительной: соответствие состава пробы среднему составу анализируемого вещества.

Дальнейшая подготовка пробы состоит: в измельчении, перемешивании и уменьшении массы. Для этого используют метод квартования, которое повторяют многократно.

· Лабораторная (паспортная) проба

Эта проба получается после уменьшения генеральной пробы до массы необходимой для проведения полностью всего анализа.

· Аналитическая проба

Проба для проведения единичного определения.

[править]Взятие навески

Навеска — масса вещества, необходимая для выполнения анализа.

[править] Выбор величины навески

Как правило, чем больше навеска, тем выше точность определения. Однако, работа с большой навеской имеет свои отрицательные стороны:

· получающийся большой осадок трудно профильтровать, промыть и прокалить

· проведение анализа занимает много времени

При слишком малой навеске ошибки во взвешивании и других операциях значительно снижают точность определения. Таким образом, выбор величины навески анализируемого вещества определяется массой осадка, наиболее удобной в работе. На бумажном фильтре диаметром 7 см можно легко отфильтровать 0,5 г кристаллического осадка (BaSO₄, CaCO₃, CaC₂O₃ и т. д.), но с такой же массой аморфного осадка (H₂SiO₃*nH₂O, Fe(OH)₃, Al(OH)₃) работать трудно. Аналитической практикой установлено, что наиболее удобны в работе кристаллические осадки массой 0,4-0,5 г и объемистые аморфные осадки массой 0,1-0,3 г.

Учитывая эти нормы осадков и зная относительное содержание определяемого элемента в веществе, выбирают необходимую величину навески.

Иногда, выбирая навеску, учитывают необходимую точность определения и возможные потери из-за растворимости осадка. Выбор величины навески зависит ещё от метода, с помощью которого будет выполнятся анализ (макро, полумикро или микроанализ). При определениях, не связанных с получением осадка (изучение влажности, зольности) допустимы навески в 1-2 г, а иногда и больше.

Так как взвешивание на аналитических весах более длительное, приблизительную навеску берут сначала на техно-химических весах, а затем точно взвешивают на аналитических весах. Навески порошкообразных веществ удобно взвешивать в пробирке с пробкой. На часовом стекле взвешивают только те вещества, которые не выделяют паров и не поглощают вещества из окружающей среды, в противном случае вещество взвешивают в бюксе.

[править] Техника взятия навески

Техника взятия навески может быть различна:

· часовое стекло или бюкс точно взвешивают, помещают туда приблизительно необходимое количество вещества и снова взвешивают. Массу вещества рассчитывают по разнице масс часового стекла или бюкса с навеской и без.

· на часовое стекло или в бюкс помещают количество вещества достаточное для взятия нескольких навесок и взвешивают. Затем отсыпают порцию вещества в стакан и снова взвешивают часовое стекло или бюкс с остатками вещества. по разнице двух взвешиваний, находят массу навески.

Такой способ более удобен в тех случаях, когда необходимо взять несколько навесок анализируемого вещества.

[править]Растворение

Для приготовления навески ее пересыпают в чистый химический стакан нужного объема. Заранее подбирают растворитель, делая пробы с отдельными порциями вещества. При необходимости можно подогреть содержимое стакана на водяной бане или асбестовой сетке, накрыв при этом стакан воронкой или часовым стеклом и не доводя до кипения.

Если вещество нерастворимо в воде, то в качестве растворителя используют кислоты, учитывая при этом что полученный раствор будет необходимо дополнительно готовить к анализу (упаривать, нейтрализовать избыток кислоты, связать или удалить ионы, мешающие определению и т. д.)

Пробы труднорастворимых органических веществ разлагают двумя способами:

· «мокрый» (действием кислот в различных условиях и с катализаторами)

· «сухой» (сплавлением с Na₂CO₃, щелочами и другими плавнями)

Например пробы горных пород и силикатов разлагают мокрым способом с помощью плавиковой кислоты.

Обработка труднорастворимых веществ кислотами связана с ОВР

Среди «сухих» способов более распространено прокаливание в муфельной печи при температуре 500—550 градусов Цельсия; сжигание в токе кислорода, окисление в закрытом сосуде с Na₂O₂; сплавление с окисляющими щелочными плавнями (NaOH + KNO₃)

- титрометрический (объемный) метод. В этом виде анализа взвешивание заменяется измерением объемов, как определяемого вещества, так и реагента, используемого при данном определении. Методы титрометрического анализа разделяют на 4 группы: а) методы кислотно-основного титрования; б) методы осаждения; в) методы окисления-восстановления; г) методы комплексообразования;
Титриметрический анализ

Перевод

Титриметрический анализ

(синоним объемный анализ)

метод количественного анализа, основанный на измерении объема или массы реагента, требующегося для реакции с исследуемым веществом, раздел аналитической химии. Титриметрический анализ широко применяется в биохимических, клинических, санитарно-гигиенических и других лабораториях в экспериментальных исследованиях и для клинических анализов. Например, при установлении кислотно-щелочного равновесия (Кислотно-щелочное равновесие), определении кислотности желудочного сока, кислотности и щелочности мочи (Моча) и др. Титриметрический анализ служит также одним из основных методов химического анализа в контрольно-аналитических аптечных лабораториях.

Количество исследуемого вещества при Т. а. определяют путем титрования: к точно отмеренному объему раствора исследуемого вещества постепенно приливают раствор другого вещества известной концентрации до тех пор, пока его количество не станет химически эквивалентным количеству исследуемого вещества. Состояние эквивалентности называется точкой эквивалентности титрования. Применяемый для титрования раствор реактива известной концентрации называют титрованным раствором (стандартным раствором, титрантом): точная концентрация титрованного раствора может быть выражена титром (г/мл), нормальностью (экв/л) и др.

К реакциям, используемым при Т. а., предъявляются следующие требования: вещества должны реагировать в строго количественных (стехиометрических) отношениях без побочных реакций, реакции должны протекать быстро и практически до конца; для установления точки эквивалентности необходимо применять достаточно надежные способы, влияние посторонних веществ на ход реакции должно быть исключено. Кроме того, желательно, чтобы при титриметрическом анализе реакции протекали при комнатной температуре.

Точку эквивалентности в Т. а. определяют по изменению окраски титруемого раствора или индикатора, вводимого в начале или в процессе титрования, изменению электропроводности раствора, изменению потенциала электрода, погруженного в титруемый раствор, изменению величины тока, оптической плотности и др.

Одним из широко применяемых способов фиксации точки эквивалентности является индикаторный метод. Индикаторы — вещества, которые дают возможность установить конечную точку титрования (момент резкого изменения окраски титруемого раствора). Наиболее часто индикатор добавляют ко всему титруемому раствору (внутренний индикатор). При работе с внешними индикаторами периодически берут каплю титруемого раствора и смешивают с каплей раствора индикатора или помещают на индикаторную бумагу (что приводит к потерям анализируемого вещества).

Процесс титрования изображают графически в виде кривых титрования, которые позволяют наглядно представить весь ход титрования и выбрать индикатор, наиболее пригодный для получения точных результатов, т.к. кривую титрования можно сопоставить с интервалом изменения окраски индикатора.

Ошибки в Т. а. могут быть методическими и специфическими, обусловленными особенностями данной реакции. Методические ошибки связаны с особенностями метода титрования и зависят от погрешностей измерительных приборов, калибровки мерной посуды, пипеток, бюреток, неполного отекания жидкостей по стенкам мерной посуды.

Специфические ошибки обусловлены особенностями данной реакции и зависят от константы равновесия реакции и от точности обнаружения точки эквивалентности.

Методы Т. а. в зависимости от реакций, лежащих в их основе, подразделяются на следующие основные группы.

Методы нейтрализации, или кислотно-осно́вного титрования, основаны на реакциях нейтрализации, т. е. на взаимодействии кислот и оснований. Эти методы включают ацидометрию (количественное определение оснований с помощью титрованных растворов кислот), алкалиметрию (определение кислот с помощью титрованных растворов оснований), галометрию (количественное определение солей с помощью оснований или кислот, если они реагируют с солями в стехиометрических соотношениях

Методы осаждения основаны на титровании веществ, образующих в определенной среде нерастворимые соединения, например соли бария, серебра, свинца, цинка, кадмия, ртути (II), меди (III) и др. К этим методам относят аргентометрию (титрование раствором нитрата серебра), меркурометрию (титрование раствором нитрата закисной ртути) и др.

Методы комплексообразования, или комплексометрия (меркуриметрия, фторометрия и др.), основаны на применении реакций, при которых образуются комплексные соединения, например Ag⁺ + ²CN^- ⇔ Ag (CN)₂]. Методы комплексообразования тесно связаны с методами осаждения, т.к. многие реакции осаждения сопровождаются комплексообразованием, а образование комплексов — выпадением в осадок малорастворимых соединений.

Методы окисления — восстановления, или оксидиметрия, включают перманганатометрию, хроматометрию (бихроматометрию), йодометрию, броматометрию, цериметрию, ванадометрию и др.

- колориметрические методы. Колориметрия — один из наиболее простых методов абсорбционного анализа. Он основан на изменении оттенков цвета исследуемого раствора в зависимости от концентрации. Колориметрические методы можно разделить на визуальную колориметрию и фотоколориметрию;
Колориметрия (от лат. color — цвет и греч. μετρώ — измеряю) — физический метод химического анализа, основанный на определении концентрации вещества по интенсивности окраски растворов (более точно — по поглощению света растворами).

[править]Основные сведения

Один из первых колориметров, созданный французским оптиком Жюлем Дюбоском, 1880.

Колориметрия — это метод количественного определения содержания веществ в растворах, либо визуально, либо с помощью приборов, таких как колориметры.

Колориметрия может быть использована для количественного определения всех тех веществ, которые дают окрашенные растворы, или могут быть, с помощью химической реакции, дать окрашенное растворимое соединение. Колориметрические методы основываются на сравнении интенсивности окраски исследуемого раствора, изучаемого в пропущенном свете, с окраской эталонного раствора, содержащего строго определенное количество этого же окрашенного вещества, или же с дистиллированной водой.

Любопытна история возникновения колориметрии и фотометрии. Ю. А. Золотов упоминает, что Роберт Бойль (так же, как и некоторые ученые до него) использовал экстракт дубильных орешков, чтобы различить железо и медь в растворе. Однако, по-видимому, именно Бойль впервые заметил, что чем больше железа содержится в растворе, тем более интенсивна окраска последнего. Это был первый шаг к колориметрии. А первым инструментом колориметрии стали колориметры типа колориметра Дюбоска (1870)^[1], которые использовались вплоть до недавнего времени^[2].

Более совершенные приборы — спектрофотометры — отличаются возможностью исследования оптической плотности в широком диапазонедлин волн видимого спектра, а также в ИК и УФ-диапазонах, с меньшей дискретностью длины волны (с использованием монохроматора).

Фотоколориметры и спектрофотометры измеряют величину пропускания света при определенной длине волны света. Контроль (обычно дистиллированная вода или исходный материал без добавления реагентов) используется для калибровки устройства.

Колориметрия широко применяется в аналитической химии, в том числе для гидрохимического анализа, в частности — для количественного анализа содержания биогенных веществ в природных водах^[3], для измерения pH^[4], в медицине, а также в промышленности при контроле качества продукции.

[править]Фотоколориметрия

Фотоколориметрия — количественное определение концентрации вещества по поглощению света в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра. Поглощение света измеряют на фотоколориметрах или спектрофотометрах.

- экспресс-методы. К экспресс-методам относятся инструментальные методы, позволяющие определить загрязнения за короткий период времени. Эти методы широко применяются для определения радиационного фона, в системе мониторинга воздушной и водной среды;
Экспресс-методы

Экспресс-методы

лабораторной диагностики — ускоренные методы лабораторных анализов, обеспечивающие проведение исследования в срок до 10—15 мин после получения материала.

Экспресс-методы основаны на тех же или аналогичных химических реакциях, что и классические методы анализа. Прототипом Э.-м. в химии было использование лакмусовой бумажки для определения кислотно-щелочного состояния среды. Широкое развитие Э.-м. стало возможным с 50-х годов 20 в. на основе достижений клинической биохимии и промышленного производства наборов сухих реактивов (экспресс-тесты) для определения различных ингредиентов крови, мочи и других биологических жидкостей. Различают монотесты, т.е. сухие реактивы в форме таблеток, гранул, дозированных порошков для определения в биожидкости какого-либо одного вещества, и политесты — комбинированные реактивные полоски (обычно из бумаги), на которых имеется несколько индикаторных зон, предназначенных для исследования 5 и более биохимических параметров одновременно. Результаты анализа могут быть только качественными или позволяют приблизительно определить концентрацию вещества в исследуемой жидкости, т.е. являются полуколичественными.

Реактивные полоски чувствительны к действию влаги и тепла, поэтому их хранят в плотно закрытых упаковках в прохладном месте; не допускается прикосновение пальцами к зонам индикации. Следует регулярно проводить контроль результатов исследований сравнением их с данными, полученными рутинными методами.

Для проведения исследования с помощью экспресс-тестов на индикаторную зону полоски или на таблетку наносят исследуемую жидкость либо погружают таблетку, полоску в исследуемую жидкость. По времени появления окраски, интенсивности цвета или величине окрашенной зоны судят о наличии или отсутствии искомого вещества. Приблизительную количественную оценку его содержания получают сравнением интенсивности окраски индикаторной зоны с цветными бумажными стандартами. Качественные результаты отличаются высокой надежностью, а полуколичественные экспресс-тесты обладают к тому же точностью, достаточной для диагностических лабораторных исследований.

Выделяют ряд преимуществ Э.-м. по сравнению с обычными лабораторными методами. 1. Быстрота выполнения анализа и экономия времени, которые невозможны даже при механизации или автоматизации обычных лабораторных исследований. Так, для определения наличия сахара в крови с помощью реактивной бумаги «Декстронал» требуется всего 60 с. 2. Простота обследования, делающая его выполнение доступным для врача любой специальности, медсестры, а в ряде случаев и для больного. 3. Отсутствие необходимости в каком-либо вспомогательном оборудовании, лабораторной посуде, оптических и электронных приборах, что значительно снижает материальные затраты на исследование. 4. Сухие реактивы устойчивее жидких, компактнее, удобнее при транспортировке и хранении.

Наиболее распространены Э.-м. исследования мочи и крови. В моче с помощью экспресс-тестов возможно полуколичественное определение глюкозы для диагностики и контроля терапии сахарного диабета (используется реактивная бумага «Глюкотест», «Биофан Г», «Глюкофан»); качественное и полуколичественное обнаружение ацетона и кетоновых тел (с помощью индикаторных бумажек «Кетофан»); полуколичественное определение белка (используются индикаторные бумажки «Альбуфан», «Альбутест», «Альбустикс»); обнаружение и полуколичественное определение примеси крови (индикаторные полоски «Гемофан», таблетки «Оккул-тест»), а также лейкоцитов (полоски «Цитур-тест») и бактериурии (индикатор «Нитрофан»); обнаружение билирубина и полуколичественное определение уробилина, имеющие важное значение для диагностики заболеваний печени, гемолитических синдромов (индикаторная бумага с краской Тилльманса и «УБГ-фан»). Политест «Тетрафан» позволяет одновременно определять в моче содержание глюкозы, восстанавливающие белок вещества и рН, а политест «Пентафан», кроме того, кетоновые тела.

В крови Э.-м. позволяют определить количество холинэстеразы («Биофан С», тест-бумага завода «Реагент»), миоглобина (тест-набор «Миоглобин»), глюкозы (экспресс-тесты «Декстронал», «Декстростикс», «Рефлотест-глюкоза»), мочевины (экспресс-тесты «Уранал», «Уреатест»), билирубина (с помощью 1% раствора трихлоруксусной кислоты); относительную плотность крови (с помощью набора растворов сульфата меди) для оценки степени кровопотери.

Широко применяется Э.-м. обнаружения алкоголя в выдыхаемом воздухе с помощью трубок Мохова и Шинкаренко. Индикаторная набивка этих трубок состоит из мелкозернистого силикагеля, импрегнированного раствором хромового ангидрида в концентрированной серной кислоте (оранжевый цвет реагента меняется на зеленый).

Использование Э.-м. особенно ценно в отделениях интенсивной терапии и реанимации, где в процессе круглосуточного наблюдения за больным необходим частый контроль динамики ряда лабораторных показателей, отражающей состояние больного и эффективность проводимого лечения. Для проведения Э.-м. не требуется сложной аппаратуры, поэтому их целесообразно использовать в приемных отделениях больниц, в амбулаторной практике, при посещении больных на дому врачом или средним медицинским персоналом. Они могут применяться специально проинструктированными больными в порядке самонаблюдения («карманная» лаборатория). С помощью Э.-м. проводят массовые (скрининговые) обследования и динамические наблюдения за лицами, нуждающимися в медицинском патронировании.

Лаборатории экспресс-диагностики, организуемые при отделениях интенсивной терапии и реанимации, выполняющие ряд рутинных лабораторных исследований (клинические анализы крови, определение времени свертывания крови, кислотно-щелочного состояния, калия и натрия в крови, гематокритного числа, группы крови и резус-фактора, исследование цереброспинальной жидкости и др.), оснащаются приборами экспрессного типа, по возможности портативными. Так, с помощью портативных электронно-оптических калориметров (например, «Уротрон-системы») можно быстро определить содержание в моче белка, глюкозы, кетовеществ, уробилиногена, билирубина, нитритов; с помощью селективных электродов — ионов натрия, калия, кальция, хлорида в биологических жидкостях. Использование современной экспресс-аппаратуры позволяет в короткий срок в одной пробе крови определить одновременно 10 и более параметров с автоматической выдачей результатов на печатающем устройстве.

Одним из направлений перспективного развития экспресс-исследований является внедрение микроэкспресс-методов, позволяющих использовать минимальный объем биологических жидкостей для анализа.

- потенциометрические методы основаны на изменении потенциала электрода в зависимости от физико-химических процессов, протекающих в растворе. Их разделяют на: а) прямую потенциометрию (ионометрию); б) потенциометрическое титрование;

Дата добавления: 2015-09-07