химия. Билет 1 Раскройте назначение технического анализа и основные методы технического анализа
 Скачать 107.09 Kb.
|
|
Потенциометрия — метод определения различных физико-химических величин, основанный на измерении электродвижущих сил (ЭДС) обратимых гальванических элементов. Иначе говоря, зависимость равновесного потенциала электрода от активности концентраций определяемого иона. Применяется метод прямой потенциометрии и потенциометрическое титрование. Потенциометрический метод анализа используется для определения неорганических и органических соединений в различных объектах окружающей среды. Потенциометрические методы анализа основаны на использовании зависимости электродвижущей силы электрохимической (потенциометрической) ячейки от концентрации (активности) определяемого вещества в анализируемом растворе. Потенциометрический метод основан на измерении разности равновесных потенциалов практически в отсутствие тока между индикаторным электродом и электродом сравнения, погруженными в анализируемый раствор, в гальванической цепи типа: электрод исследуемый индикаторный сравнения раствор электрод. Возникновение электродного потенциала связано с электродным процессом на границе: индикаторный электрод – раствор, содержащий окислительно-восстановительную пару: Ме(n+)+ ne Me(0) Ок. + ne Вос. Индикаторные электроды в потенциометрии Известны два основных типа индикаторных электродов для потенциометрических измерений: 1) металлические электроды; 2) мембранные (ионоселективные) электроды. Индикаторные электроды можно изготовить из различных металлов, способных давать обратимые полуреакции, например, из серебра, меди, ртути, свинца и кадмия. Потенциалы этих металлов воспроизводимы и предсказуемо отражают активность их ионов в растворе. Такие металлы, как железо, никель, вольфрам, кобальт и др,. непригодны для изготовления индикаторных электродов, поскольку для них характерны невоспроизводимые потенциалы, связанные с образованием оксидных слоев на их поверхности, кристаллической деформацией в их структурах и т. д. Чаще всего используют электроды первого рода и электроды второго рода. Электроды первого рода представляют собой металлическую пластинку или проволоку, погруженную в раствор хорошо растворимой соли этого металла: серебро, опущенное в раствор нитрата серебра; медь, погруженная в раствор сульфата меди. Потенциал электрода первого рода зависит от концентрации вещества, непосредственно участвующего в электродной реакции переноса электронов: Ag + + e → Ago , Cu 2+ + 2 e → Cuo . Электроды второго рода состоят из металла, покрытого слоем его малорастворимого соединения (соли, оксида или гидроксида) и погруженного в раствор, содержащий тот же анион, что и в малорастворимом соединении: An– | MеA, Mе. Мембранные (ионоселективные) электроды По определению ИЮПАК, «ионоселективные электроды – это сенсоры (чувствительные элементы, датчики), потенциалы которых линейно зависят от lga определяемого иона в растворе». В мембранных электродах происходит обмен не электронов, а заряженных частиц (ионов) между раствором и мембраной электрода. Мембрана разделяет два раствора – внутренний и внешний, находящиеся в контакте с поверхностями мембраны. Через мембрану возможно перемещение ионов только определенного вида. Активность ионов, к которым мембрана проницаема, во внутреннем растворе постоянна. Согласно рекомендациям ИЮПАК различают: 1) первичные ионоселективные электроды – электроды с кристаллическими мембранами, электроды с жесткой матрицей (стеклянные); 2) электроды с подвижными носителями – положительно заряженными, отрицательно заряженными, незаряженными (с нейтральными переносчиками); 3) сенсибилизированные (активированные) электроды – газочувствительные, ферментные. Электроды с кристаллическими мембранами. Кристаллические гомогенные мембраны изготовляют из индивидуального кристаллического соединения (LaF3, Ag2S) или гомогенной смеси кристаллических веществ (Ag2S + AgCl, Ag2S + CuS). Электроды с жесткой матрицей. Широко известным примером электрода с жесткой матрицей является стеклянный электрод для измерения рН растворов. Он состоит из стеклянного шарика (мембрана) диаметром 15…20 мм с толщиной стенок 0,06…0,1 мм, изготовленного из стекла особого состава. Внутрь шарика заливается раствор с определенным значением рН (0,01 моль/л НСl) и погружается электрод сравнения (хлоридсеребряный). Электроды на основе мембран с подвижными носителями имеют жидкие мембраны – раствор ионообменника или «нейтрального переносчика» в органическом растворителе, удерживаемый на пористом полимере. Органический растворитель влияет на свойства электрода. Электроды с газочувствительными мембранами. В этих электродах используется газопроницаемая мембрана. Она изготавливается чаще всего из гидрофобного пластика, должна быть тонкой и микропористой, сквозь нее не должны проходить вода и электролиты вследствие ее водоотталкивающих свойств. Поры мембраны заполнены только воздухом или другими газами. Если раствор, содержащий газообразное определяемое вещество (например, SO2), контактирует с мембраной, то SO2 переходит в поры мембраны Ферментные электроды – это датчики, в которых ионоселективный электрод покрыт пленкой, содержащей фермент, способный вызвать реакцию органического или неорганического вещества (субстрата) с образованием веществ (ионов, молекул), на которые реагирует электрод. В основе работы электрода лежит ферментативная реакция определяемое вещество (субстрат) – фермент – ион (молекула), в результате которой образуется частица, обусловливающая отклик электрода. Прямая потенциометрия основана на непосредственном измерении потенциала индикаторного электрода и вычислении активности потенциалопределяющих . Прямая потенциометрия широко применяется для определения концентрации водородных ионов или рН растворов. Потенциометрическое титрование. Потенциометрическое титрование основано на определении точки эквивалентности по результатам потенциометрических измерений при проведении химической реакции между титрантом и определяемым веществом. Кислотно-основное потенциометрическое титрование основано на химической реакции нейтрализации. В качестве индикаторного электрода чаще всего используется стеклянный электрод. Метод позволяет провести количественное определение кислот в их смеси, если констан- 129 ты их диссоциации различаются не менее, чем на три порядка (например, смесь соляной и уксусной кислот); многоосновных кислот (оснований), так как удается достичь разделения конечных точек многоступенчатого титрования (на кривой титрования при этом наблюдается несколько скачков). Комплексонометрическое потенциометрическое титрование используется для определения катионов металлов при титровании их комплексоном (lll) (ЭДТА) с применением в качестве индикаторного электрода соответствующего металла: титрование солей меди с медным электродом, солей цинка – с цинковым электродом и т. д., а также ртутного электрода. Потенциометрическое титрование по типу осаждения. Индикаторными электродами служат металлические или мембранные электроды, чувствительные к определяемому иону или иону-осадителю. Например, можно определять галогенид-ионы (Сl – , Br– , I– ) на серебряном электроде титрованием нитратом серебра. По методу осаждения могут быть определены катионы серебра, ртути, цинка, свинца и т. д. Окислительно-восстановительное потенциометрическое титрование. В качестве индикаторных электродов используются инертные электроды из платины, золота, ртути, серебра. Выбранный металл должен быть инертным по отношению к веществам, участвующим в реакции, и служить только для переноса электронов. Все большее значение приобретает проведение редокс-титрования в органических растворителях. Потенциометрическое определение физико-химических свойств веществ Потенциометрические измерения часто используются для исследования реакций в растворе, определения констант равновесия и различных характеристик вещества. По данным потенциометрических измерений вычисляют константы диссоциации кислот и оснований, константы устойчивости координационных соединений, произведение растворимости, рассчитывают тепловые эффекты и другие термодинамические характеристики процессов в растворе. Билет 22 Раскройте теоретические основы определени СО2 в воде Угольная кислота и ее соли – постоянные компоненты природных вод. Содержание свободной угольной кислоты H2CO3 зависит от концентрации растворенной двуокиси углерода. Так как в форме угольной кислоты находиться лишь незначительная часть растворенного СО2 (около 1%), то содержание свободной углекислоты в воде характеризуется суммой: H2CO3 + CO2. При этом расчет ведем не на кислоту, а на СО2. Угольная кислота диссоциирует в водном растворе H2CO3 → H+ + HCO3- HCO3- → H+ + CO32- Из уравнений следует, что концентрация свободной углекислоты находится в прямой зависимости от концентрации водородных ионов, а концентрация карбонатных ионов – в обратной Вследствие того, что окраска титруемого раствора изменяется постепенно, конец реакции определяют, сравнивая полученную окраску с интенсивностью окраски раствора – «свидетеля». Практическая часть В коническую колбу на 250 мл отмерили 50 мл исследуемой воды, внесли туда 2 капли фенолфталеина, закрыли колбу пробкой и перемешали содержимое. Через отверстие в пробке титровали рабочим раствором 0,02н NaOH до появления розового окрашивания, идентичному окраске раствора-свидетеля. Полученные данные занесли в таблицу Билет 23 Объясните сущность проведения анализа воды и требования, предъявляемые к исследованию воды Анализ воды — метод исследования свойств и качеств воды. Применяется для определения количества различных веществ в составе воды, находящейся в контакте с человеком в промышленных и бытовых целях, либо в научных. Анализ воды – способ определения состава и качества воды. С помощью анализа водной среды можно выявить степень ее загрязненности, определить пригодность для тех или иных нужд. Есть три вида анализа воды: Физико-химический анализ позволяет определить содержание в воде минеральных и органических веществ, растворенных газов, взвешенных веществ, находящихся в различной степени дисперсности. Примечание: дисперсность – величина, которая характеризует размер частиц, в частности, в воде. В этот вид анализов входит определение мутности, цветности, прозрачности. При необходимости определяют баллы запаха и вкуса. Они могут свидетельствовать о наличии в воде вредных веществ. Санитарно-бактериологический анализ направлен на обнаружение фекальных и бактериальных загрязнений. Биологический анализ. Выявление в воде разного рода микроорганизмов. Определяется количество живых организмов, принадлежность их к определенному виду, степень загрязнения водной среды болезнетворными микроорганизмами. Цель исследования воды связана с ее возможным использованием. Питьевая вода анализируется с целью предотвратить негативное воздействие вредных веществ на здоровье человека. Определив превышение предельно допустимых концентраций (ПДК), санитарные лаборатории доводят результаты до ответственных лиц. Это помогает предотвратить массовые заболевания населения городов, поселков, детских лагерей. Анализы необходимы для контроля процесса очистки на очистных сооружениях сточных вод. ГОСТ и СанПиН – это нормативные документы. Различие заключается в том, что ГОСТ – государственный документ, СанПин ведомственный, действует не отменяя, а конкретизируя отдельные направления требований к качеству воды Существует два вида отбора проб: разовый, когда проба воды берется в определенной точке один раз. Такой способ не отражает действительности при установлении качества воды например в реках или других водоемах, где постоянно меняется состав водной среды. Используют в случае неизменного качества: глубинные слои грунтовых вод; серийный, когда отбирается несколько проб. Результат оценивается с помощью методов математической статистики. Источники забора воды: городская централизованная система водоснабжения; скважины и родники; колодцы; бутилированная вода; водохранилища, озера, пруды; сточные воды до и после очистки на городских очистных сооружениях. В чем заключаются правила отбора проб воды: требуется отбирать пробу в количестве, которого будет достаточно для определения интересующих компонентов. Если содержание компонента в воде незначительное, объем пробы следует увеличить; для отбора проб воды существуют различные приспособления, которые отличаются между собой в зависимости от источника и условий отбор проб воды. Это бутыли, сосуды с насадками, которые не позволяют контактировать воде с окружающей средой, глубинные пробоотборники; консервация проб воды дает возможность сохранить компоненты содержащиеся в воде в неизменном виде до начала выполнения анализа. Это связано с тем, что со временем некоторые элементы, содержащиеся в воде переходят из одного состояния в другое, что дает ложные представления о качестве воды. Для каждого компонента разработаны конкретные указания о способе консервации; непременное условие – чистота пробоотборника. Материал, из которого изготовлена тара для перевозки пробы, не должен вступать в реакцию с компонентами входящими в состав воды. Сроки доставки пробы в лабораторию должны быть минимальны; объем проб зависит от вида и числа компонентов, которые требуется определить в пробе воды. Методика по которой проводят анализ на тот или иной компонент всегда предписывает требуемый объем воды. Ориентировочно, для проведения микробиологических исследований потребуется ½ литра, химического анализа от 2 до 5 литров. Для проведения исследований на радиологические вещества надо отбирать пробы в объеме полтора литра. Число определяемых веществ в воде зависит от того, в каких целях она используется, где была отобрана. Билет 24 Анализ воды фотометрическим методом. Сущность фотометрического анализа, область применения. Фотометрия – инструментальный анализ окрашенных жидкостей. Принцип основан на снижении интенсивности световой волны, проходящей через фильтр. Достоверность результатов, полученных с приборов этой категории одинакова для параллельных проб, так как по закону Бугера-Ламберта-Бера: Окрашенный раствор одинаковой концентрации, толщине слоя и в равных условиях поглощает одну долю падающего света. Закономерность справедлива для слабо окрашенных растворов, чтобы показатель преломления соответствовал растворителю. Температура при измерении должна быть постоянной. Пучок света параллельный. Светопоглощение только для одного компонента. Технология исследования на приборе включает операции: Подготовка пробы с переводом исследуемого вещества в состояние, когда он поглощает электромагнитные колебания. Измерение интенсивности поглощения проводят в спектре 315-630 нм. Учет потерь при прохождении света через кюветы, растворитель, рассеяние, которое уравновешивается контрольной кюветой. Подбор оптимального диапазона измерения с установкой оптического фильтра. Особенность фотометрических методов определения элементного состава в получении стабильного цвета пробы, на время измерений. Важно контролировать рН раствора, так как комплексные окрашенные соединения теряют цвет в кислой среде. Важно подготовку проб и исследования проводить при постоянной температуре, соответствующей стандартным условиям. Достоинства приборов: Определение малых концентраций ионов тяжелых и щелочноземельных металлов, сложных веществ. Высокая избирательность. Погрешность результатов 0,5-1,5%. Недостатки: Методы ограничены трудностями приготовления эталонных растворов, когда в пробе присутствуют вещества, которые не определяются, но оказывают влияние на результат. Сложная подготовка проб для анализа. Необходимость градуировки или построения калибровочных графиков. Фотометрия (от греческого photos - свет и metreo - меряю) представляет собой метод количественного анализа, особенно для определения микроколичеств веществ. Метод дает возможность определить концентрацию вещества в растворе в тех случаях, когда вещество имеет собственную окраску либо приобретает окраску путем воздействия на него соответствующего химического реагента. Сущность фотометрического анализа заключается в следующем: определяют уменьшение интенсивности потока монохроматического света (т.е. света с определенной, возможно узкой областью спектра) после прохождения его через определенной толщины слой окрашенного раствора и, учтя законы светопоглощения, делают вывод о концентрации растворенного вещества. Основной закон светопоглощения Бугера-Ламберта-Бера определяет зависимость между поглощением излучения раствором и концентрацией в нем поглощаемого вещества. Закон выражается в следующем уравнении:  где: I0 - начальная интенсивность света It - интенсивность света, прошедшего через поглощающее вещество +Σ - коэффициент поглощения, характеризующийпоглощающую способность вещества с - концентрация раствора (моль/л) l - толщина слоя раствора, поглощающего свет в ст. |