Лекція 5. Методи контролю стану довкілля (4 год)

Ця група методів відноситься до інструментальних. Вона ґрунтується, як і хімічні, на хімічних реакціях, однак визначають фізичну характеристику (оптичну густину, електропровідність, окидно-відновний потенціал тощо ), що залежить від вмісту речовини.

Взагалі, фізико-хімічні методи аналізу класифікують за типом фізико-хімічних явищ, які лежать в їх основі, а тому розрізняють оптичні, електрохімічні і хроматографічні методи аналізу.

Оптичні методи ґрунтуються на вимірюванні оптичних властивостей розчинів речовин, до них відносяться рефрактометрія, поляриметрія, фотометрія, спектрофотометрія, колориметрія, нефелометрія, турбідіметрія та інші.

Фотометричні методи ґрунтуються на вимірюванні інтенсивності світлового потоку, який пройшов через речовину, його розчин, а також пропущеного або відбитого суспензією речовини. Фотометричний аналіз охоплює всі методи, які ґрунтуються на поглинанні світла в ультрафіолетовій (УФ, λ = 10 - 400 нм), видимій (В, λ = 400 - 800 нм) та інфрачервоній (ІЧ, λ = 800 нм - 1000 мкм) областях електромагнітного спектра речовиною, яка визначається чи продуктом реакції.

Потрібно мати на увазі, що фотометричному визначенню піддають речовини, які мають забарвлення або можуть поглинати в тій чи іншій області спектра. Якщо ці речовини не мають забарвлення, то проводять хімічну реакцію, за допомогою чого отримують забарвлений продукт, який піддають фотометричному визначенню. Такі реакції називаються фотометричними. Класифікація фотометричних методів. В залежності від довжини хвилі, способу вимірювань, ширини смуги вимірюваного випромінювання, розрізняють: колориметрію і фотоколориметрію – вимірювання світлового потоку, який пройшов через речовини візуальними і фотоелектричними способами; нефелонометрію, фотонефелонометрію – вимірювання світлового потоку, розсіяного суспензією речовини візуальними і фотоелектричним способами; турбидіметрію і фототурбидіметрію – вимірювання світлового потоку, пройденого через суспензію речовини візуальними і фотоелектричними способами; спектрофотометрію – вимірювання монохроматичного (певної довжини хвилі) світлового потоку, пройденого через розчин речовини.

Колориметрія У методі колориметрії візуальним шляхом порівнюють інтенсивність світлових потоків, пройдених через досліджуваний і стандартний розчин. При рівності концентрацій розчинів інтенсивність їх забарвлення однакова. Порівняння проводять у пробірках однакового діаметру, однакової форми, розміру і однакового скла. Метод зрівнювання забарвлень виконують на спеціальних приладах колориметрах, використовуючи залежність між інтенсивністю забарвлення і товщиною шару h.

Фотоколориметрія У фотоколориметрії вимірювання інтенсивності світлових потоків проводять за допомогою фотоелементів. Фотоелементи - прилади, що перетворюють світлову енергію в електричний струм. Зміна інтенсивності світлового потоку викликає зміну електричного струму виробленого фотоелементом. Фотоколориметричні методи - це кількісне визначення концентрації речовини з поглинання світла у видимій та ближній ультрафіолетовій

Поглинання світла вимірюють на фотоелектричних колориметрах (КФК-2, КФК-3, ФЕК – 56М та інших) Розчини для фотоколориметрії повинні відповідати таким вимогам: мати інтенсивне забарвлення, бути розведеними і прозорими, щоб виключити розсіювання світла; стійкими (не розшаровуватися), в них не повинні протікати фотохімічні та інші реакції, що впливають на хід аналізу.

Великого поширення набули фотоколориметри, що працюють за диференційною схемою, тобто двопроменеві (КФК). Кювети, що використовують у фотоколориметрії, виготовляють з кварцу або спеціальних сортів скла. Вони мають певну товщину, яка враховується при розрахунках. При роботі використовуються абсолютно чисті кювети, так як навіть незначне забруднення змінює показники приладів. На шляху світлового потоку у фотоколориметрах ставляться світлофільтри, які пропускають певну частину спектра, що поглинається речовиною.

Для роботи з колориметром потрібно попередньо приготувати серію стандартних розчинів з точно відомими концентраціями досліджуваної речовини. Кожний стандартний розчин наливають у кювету і визначають силу струму за гальванометром. За отриманими результатами будують графік залежності сили струму розчину від його концентрації, тобто будують калібрувальну криву. Потім визначають силу струму досліджуваного розчину і за калібрувальною кривою визначають його концентрацію. Фотоелектроколориметри застосовується на підприємствах водопостачання, металургії, хімічній, харчовій промисловості, с/г, медицині.

Фотометричні методи високочутливі, розроблені для визначення практично всіх хімічних елементів, крім інертних газів; з їх допомогою визначають як макро-, так і мікрокількості (до 10-8 %) аналізованого компонента. Методи фотометрії широко застосовують в аналізі природних об'єктів: повітря, поверхневих вод, ґрунту, донних мулів, рослин, а також стічних вод, газоподібних викидів, відходів промисловості.

Спектрофотометрія Спектрофотометрія (абсорбційна) - фізико-хімічний метод досліджень розчинів і твердих речовин, оснований на вивченні спектрів поглинання в ультрафіолетовій (200 - 400 нм), видимій (400 - 760 нм) та інфрачервоній (>760 нм) областях спектра. Основна залежність, що вивчається в спектрофотометрії - залежність інтенсивності поглинання падаючого світла від довжини хвилі. Спектрофотометрія широко застосовується при вивченні будови і складу різних сполук (комплексів, барвників, аналітичних реагентів тощо), для якісного і кількісного аналізу речовин (визначення слідів елементів в металах, сплавах, технічних об'єктах). Прилади спектрофотометрії - спектрофотометри СФ-4; СФ- 8; СФ-46;СФ-56; СФ-2000, СФ-102; СФ-104; СФ-201. Спектрофотометрія, як і колориметрія, основана на законі світло поглинання - законі Бугера-Ламберта-Бера. Прилади, які застосовуються в спектрофотометрії, більш складніші, ніж прилади, які використовуються в фотоколориметрії.

Рефрактометрія. Рефрактометрія ґрунтується на вимірюванні кута заломлення світлового променя при переході його із одного середовища до іншого. Показник заломлення залежить від природи і густини речовини, його концентрації, температури, тиску середовища і довжини хвилі падаючого світла. При інших постійних умовах показник заломлення пропорційний тільки концентрації речовини. Швидкість поширення світла в різних середовищах різна. Цією обставиною пояснюється явище заломлення світла, тобто відхилення світлових променів від первинного напряму на межі розділу двох середовищ.

Поляриметрія. Поляриметрією називають визначення оптичного обертання – обертання площини поляризованого світла розчином оптично активної речовини.

Кристалічні решітки деяких речовин володіють здатністю пропускати світло тільки з певним напрямом коливань. Світло, що пройшло через таке середовище, називають поляризованим; воно здатне коливатися тільки в якій-небудь одній площині, що називається площиною коливань. Площину, перпендикулярну площині коливань, називають площиною поляризації.