Файл: Методы и средства наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 26.10.2023

Просмотров: 1270

Скачиваний: 2

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

Основы анализа

Химические методы анализа

Химические методы анализа

Химические методы анализа Аналитические весы и мерная посуда Каждый количественный химический анализ связан с точными измерениями массы или объема. Измерение массы выполняется с помощью аналитических весов. Для измерения объемов служит мерная посуда.Аналитические весы. Одним из важнейших приборов в количественном анализе являются аналитические весы – прибор для определения массы вещества. Обычно они позволяют определять массу с точностью до 0.0001 г.Весы устанавливают в специальной комнате (весовой) на столе для взвешиваний, чтобы исключить вибрацию. Для получения правильных результатов при взвешивании на аналитических весах необходимо соблюдать ряд обязательных правил взвешивания:1. Нагрузка на чашки весов не должна превышать предельной, указанной для данной системы весов.2. Перед началом взвешивания проверить состояние весов. Их нужно содержать в чистоте, случайно рассыпанное вещество удалить специальной кисточкой.3. Взвешиваемые вещества должны находиться в чистой, сухой таре (бюксы, стаканчики, часовые стекла, весовые лодочки и т. п.). Вещества нельзя непосредственно помещать на чашу весов. Летучие и гигроскопичные вещества следует взвешивать в хорошо закрытых сосудах.4. Предмет поместить в центр чашки весов. Температура взвешиваемого предмета и температура окружающего весы воздуха должна быть одинаковой (нельзя взвешивать теплые и холодные предметы!).5. Дверцы весов во время взвешивания должны быть закрыты.6. Все взвешивания при выполнении конкретной работы следует проводить на одних и тех же весах.7.При неисправности весов следует обратиться к преподавателю или лаборанту. Ниже приводится техника работы на электронных весах ALC-210d4, имеющих предельно допустимую нагрузку 210 г.Взвешивание на таких весах производится без применения гирь из разновеса. Взвешивание на электронных весах ALC-210d4 проводят в следующей последовательности:1. Подключают весы к осветительной сети с помощью штепсельной вилки.2. Включают весы нажатием клавиши [ON/OFF]. При этом на дисплее должно высвечиваться «0.0000 g».3. Тару для взвешивания помещают в центр чашки весов и закрывают дверцу. На дисплее высвечивается масса тары.4. Тарируют весы нажатием клавиши [ZERO]. На дисплее высвечивается «0.0000 g».5. Взвешиваемый предмет помещают в тару для взвешивания и закрывают дверцу. На дисплее высвечивается масса взвешиваемого предмета. Мерная посуда. Для измерения объемов растворов в количественном анализе используют мерную посуду: для точного измерения объема – бюретки, пипетки, мерные колбы; для приблизительного измерения объема – цилиндры, мензурки и градуированные пробирки.Бюретки (рис. 1) служат для титрования, позволяют отмерять любые дробные объемы жидкости в пределах общего объема бюретки и калиброваны на выливание. Отсчет по бюреткам вместимостью 10.0–50.0 см3 проводят с точностью до 0.05–0.10 см3 . Рис. 1. Бюретки В зависимости от назначения бюретки бывают разных размеров и разных конструкций. Обычные лабораторные бюретки представляют собой градуированные цилиндрические трубки с суженным концом, который соединен при помощи резиновой или силиконовой трубки с капилляром. В трубку вставлен стеклянный шарик. При оттягивании в сторону боковой части резиновой или силиконовой трубки в месте нахождения шарика между ними образуется узкий канал, через который вытекает жидкость из бюретки.Поверхность жидкости в бюретке представляется вогнутой полосой (мениск). Для неокрашенных жидкостей отсчет проводят по нижнему краю мениска, для окрашенных – по верхнему краю мениска, в обоих случаях глаза наблюдателя должны находиться на уровне мениска (рис. 2). Рис. 2. Отсчеты по бюретке при различных положениях глаза: Для титрования растворами веществ, которые разрушают резину (например, раствором йода), используют бюретки со стеклянными кранами (см. рис. 1).Техника работы с бюреткой1. Перед работой бюретку тщательно моют моющими смесями и водой так, чтобы жидкость при выливании стекала по внутренним стенкам бюретки равномерно, не оставляя капель.2. Непосредственно перед проведением титрования дважды ополаскивают бюретку небольшим количеством раствора, которым предполагается проводить титрование; этим раствором должна быть промыта вся внутренняя поверхность, чтобы при последующем заполнении бюретки раствором он не менял своей концентрации за счет разбавления водой, смачивающей стенки бюретки.3. Подготовленную к работе бюретку заполняют раствором титранта через воронку, вставленную в верхнее отверстие, до уровня, превышающего нулевую отметку на 2–3 см (рис. 3), и убирают воронку. Если воронку не удалить, то с нее во время титрования может стекать оставшийся в ней раствор и измерение объема окажется неточным.  Рис. 3. Приемы работы с бюреткой4. Удаляют пузырьки воздуха из нижней (суженной) трубки бюретки (капилляра). Для их удаления отгибают кверху капилляр и резко выпускают некоторое количество жидкости (см. рис. 3). После этого вновь наливают раствор в бюретку выше нулевой отметки.5. Устанавливают исходный нулевой уровень раствора, выпуская жидкость из бюретки до тех пор, пока край ее нижнего мениска не коснется отметки 0.0 см3 (см. рис. 3). При этом глаза наблюдателя должны находиться на уровне мениска (см. рис. 2).6. Проводят титрование. Для этого опускают капилляр бюретки в коническую колбу с анализируемым раствором так, чтобы он был направлен в центр колбы и почти весь находился в горле колбы по высоте (см. рис. 3). Нажимая левой рукой на боковую часть резиновой или силиконовой трубки в месте нахождения шарика, медленно выливают жидкость из бюретки (лучше всего по каплям), так как иначе она не успеет стечь со стенок, и измерение объема станет неточным. Перед каждым титрованием обязательно доводят уровень раствора в бюретке до нулевого положения, т. е. всегда пользуются одной и той же частью шкалы бюретки.7. По окончании работы из бюретки выливают раствор титранта, дважды промывают и заполняют дистиллированной водой. Чтобы бюретки при хранении по возможности не загрязнялись, для защиты от пыли их закрывают стеклянными колпачками или чистыми пробирками.Пипетки используют для измерения каких-либо определенных объемов исследуемого раствора. Пипетки Мора представляют собой узкие трубки с расширением в середине (рис. 4). В верхней, узкой части пипетки имеется кольцевая метка. Пипетки калиброваны на выливание: если заполнить пипетку до метки и вылить жидкость, то ее объем будет соответствовать вместимости, указанной на пипетке, но при этом нужно соблюдать правила обращения с пипеткой. Рис. 4. Пипетка Мора (а), градуированные пипетки (б, в)Кроме пипеток Мора используют также измерительные (градуированные) пипетки (см. рис. 4), напоминающие по форме бюретки и имеющие такую же градуировку. Они позволяют измерять любые объемы жидкости в пределах измерительной шкалы.Техника работы с пипетками1. В соответствии с правилами подготовки посуды пипетки так же, как и бюретки, перед использованием тщательно моют для удаления жира и других загрязнений, затем многократно ополаскивают сначала водопроводной, а затем дистиллированной водой.2. После этого для удаления капель воды дважды ополаскивают раствором, который предполагается отбирать пипеткой. Ополаскивая пипетку раствором, заполняют ее каждый раз примерно на 1/3 объема с помощью специального приспособления (пипетатора или груши), горизонтально вращая, смачивают раствором всю внутреннюю поверхность пипетки.3. Заполняют пипетку раствором с помощью пипетатора или груши так, чтобы уровень жидкости в ней оказался приблизительно на 2–3 см выше метки (рис. 5). Для этого, держа верхнюю часть пипетки большим и средним пальцами правой руки, погружают нижний конец пипетки глубоко в раствор и заполняют им пипетку с помощью пипетатора или груши. Затем, вынув грушу или пипетатор, быстро закрывают указательным пальцем верхнее отверстие пипетки и слегка приоткрывают его, чтобы стекла лишняя жидкость и нижний край мениска коснулся метки (глаза должны находиться на уровне метки) (см. рис. 5). Вновь плотно закрывают отверстие и переносят пипетку в заранее приготовленный сосуд (чаще всего в колбу для титрования). Держа пипетку вертикально, дают жидкости вытечь (см. рис. 5). Когда вся жидкость вытечет, кончиком пипетки прикасаются к стенке сосуда и ждут

СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

λ=hc/E где Е – энергия перехода; h – постоянная Планка; с – скорость света.В ультрафиолетовой (УФ) и видимой (vis) областях используют длину волны λ, нм, а в инфракрасной (ИК) – частоту ν. Нередко вместо частоты ν = с / λ используют волновое число: ν=1/λ, см-1 Иногда его тоже называют «частота».2. Интенсивность линии – используется для количественного анализа, определяется количеством лучистой энергии с частотой ν, испускаемой или поглощаемой частицей в единицу времени. Совокупность спектральных линий, принадлежащих данной частице, составляет её спектр.Классификация спектровВ зависимости от типа взаимодействия излучения с веществом различают спектры испускания и спектры поглощения.Спектры испускания обусловлены переходами, при которых Ei > Ej . Виды спектров испускания:  эмиссионные спектры – испускаются термически возбуждёнными частицами; спектры люминесценции – испускаются нетермически возбуждёнными частицами (под действием энергии электромагнитного излучения, электрического поля, энергии химической реакции и др.). Спектры поглощения (абсорбционные спектры) обусловлены переходами, при которых Ei< Ej.В зависимости от природы частиц спектры делят на атомные (линейчатые) и молекулярные (полосатые).В свою очередь, молекулярные спектры могут быть: вращательными; колебательными; электронными. Для целей анализа наиболее часто используют атомные эмиссионные и молекулярные абсорбционные спектры, поэтому в последующих разделах будут подробно рассмотрены вопросы их получения, регистрации и использования для качественного и количественного анализа. АТОМНЫЕ ЭМИССИОННЫЕ СПЕКТРЫ. ЭМИССИОННАЯ ФОТОМЕТРИЯ ПЛАМЕНИ Атомные эмиссионные спектрыАтомные эмиссионные спектры состоят из отдельных линий, поэтому их называют «линейчатыми»/Для каждого элемента характерен свой вид спектра. Спектры атома и иона различаются, т. к. у них разное электронное строение.Атомные эмиссионные спектры обусловлены только спонтанными (самопроизвольными) электронными переходами в термически возбуждённых атомах. Если атомной системе сообщить энергию, то электроны атомов переходят в возбуждённое состояние. Через 10–8 с они спонтанно возвращаются в основное состояние (рис. 2). Рис. 2. Происхождение эмиссионных спектров.При этом избыточная энергия испускается в виде квантов света с частотой ν = ΔЕ / h.Основные характеристики линий эмиссионного спектра:1. Длина волны (λ) – используются для качественного анализа, зависит от энергии перехода: λ=hν/ΔE 2. Интенсивность линии (I) – используются для количественного анализа, зависит от энергии перехода, числа частиц и вероятности перехода:  I=hνAN*=ΔEAN*, где А – вероятность спонтанного перехода; N*  – концентрация возбуждённых частиц. Наибольшей интенсивностью отличаются резонансные линии, поскольку вероятность спонтанного перехода Е1→ Е0 наиболее высока. Поэтому в аналитической химии чаще всего используют эти линии. Кроме того, они наиболее чувствительны, что позволяет химикуаналитику вести анализ в области малых концентраций.Получение и регистрация атомных эмиссионных спектровДля получения атомного эмиссионного спектра необходимо: атомизировать вещество (перевести его в атомарное состояние). Например, NaCl → Na + Cl. возбудить полученные атомы, например, Na →ЕNa*  При этом энергия, затраченная на возбуждение, должна быть меньше потенциала ионизации, иначе получится спектр иона.Если условия атомизации и возбуждения постоянные и не осложняются посторонними физико-химическими и оптическими явлениями, то число возбуждённых атомов прямо пропорционально концентрации вещества: N*

Роль аналитической химии в решении основных экологических проблем окружающей средыМЕТОДЫ И СРЕДСТВА НАБЛЮДЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ЗА СОСТОЯНИЕМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫДля получения объективной информации о состоянии и об уровне загрязнения различных объектов окружающей среды необходимо располагать надёжными средствами и методами экологического контроля. Повышение эффективности контроля за состоянием природной среды может быть достигнуто повышением производительности, оперативности и регулярности измерений, увеличением масштабности охвата одновременным контролем; автоматизацией и оптимизацией технических средств контроля и самого процесса.Средства экологического наблюдения и контроля подразделяются на контактные, неконтактные (дистанционные), биологические, а контролируемые показатели – на функциональные (продуктивность, оценка круговорота веществ и др.) и структурные (абсолютные или относительные значения физических, химических или биологических параметров – концентрация загрязняющего вещества, коэффициент суммарного загрязнения и др.)Роль аналитической химии в решении основных экологических проблем окружающей средыКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫКонтактные методы контроля состояния окружающей среды представлены как классическими методами химического анализа, так и современными методами инструментального анализа.Структура контактных методов наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды

Контактные методы анализа

Химические
Физико-химические
Физические

Гравиметрический

Титриметрический
Спектральные

Электрохимические

Хроматографические
Магнитная спектроскопия

Масс-спектрометрия

Рентгеноспектральный анализ
 Спектральные методы анализа объектов окружающей среды

Спектральные методы анализа

Атомная спектроскопия
Молекулярная спектроскопия

Жесткие излучения
УФ-видимая спектроскопия
Фотометрия
Люминесцентные методы
Методы структурного анализа

Нейтронноактивационный анализ

Рентгеноспектральный и рентгенофлуоресцентный анализы
Эмиссионный спектральный анализ

Атомно-абсорбционный спектральный анализ
УФ-видимая спектроскопия
Флуоресцентный анализ

Хемилюминесцентный анализ
Радиоволновая спектроскопия

ИК-спектроскопия
Электрохимические методы анализа объектов окружающей среды

Электрохимические методы анализа

Методы без протекания электродной реакции
Методы, основанные на протекании электродной реакции

Прямая кондуктометрия
Кондуктометрическое титрование
В отсутствии тока
Под действием тока







Потенциометрические методы

Электрохимические сенсоры
Вольтамперометрические методы

Амперометрические методы

Кулонометрические методы
 Хроматографические методы анализа загрязняющих веществ

Хроматографические методы анализа

Подвижная фаза – газ(пар)
Хроматомасс-спектрометрия
Подвижная фаза - жидкость

Газовая хроматография
Газожидкостная хроматография



ВЖХ
Тонкослойная хроматография















Общая схема контроля включает этапы:1) отбор пробы;2) обработка пробы с целью консервации измеряемого параметра и её транспортировка;3) хранение и подготовка пробы к анализу;4) измерение контролируемого параметра;5) обработка и хранение результатов.Пробоотбор зачастую предопределяет результаты анализа, так как возможно загрязнение пробы в процессе её отбора, особенно когда речь идёт об измерении ничтожно малых количеств загрязняющего вещества. Здесь важен и выбор места и средства отбора, и чистота пробоотборников и тары для хранения пробы.В изолированной от природной среды пробе, начиная с момента её взятия, осуществляются процессы «релаксации» по параметрам экосистемы, значения которых определяются кинетическими факторами. Одни из параметров меняются быстро, другие сохраняются достаточно долго. Поэтому необходимо иметь представление о кинетике изменения измеряемого параметра в данной пробе. Очевидно, чем меньше время от момента взятия пробы до её консервации (или анализа), тем лучше. И все же лучше в параллельно отобранные пробы добавить эталон контролируемого загрязняющего вещества и консервировать эти контрольные пробы через разные временные интервалы. При измерении «эталонных» образцов одновременно можно получить и градуировочные графики. Такой метод «внутреннего стандарта» желательно использовать и для оценки других факторов, которые могут влиять на результаты анализа (хранение, транспортировка, методика подготовки пробы к анализу и т.д.).Подготовка пробы к анализу может включать в себя либо концентрирование измеряемого ингредиента, либо его химическую модификацию с целью проявления аналитически наиболее выгодных свойств. Концентрирование достигается двумя путями: методом сорбции анализируемого компонента (на твёрдом сорбенте или при экстракции растворителем), методами уменьшения объёма пробы, содержащей компонент, например, путём вымораживания, соосаждения или выпаривания. Конечно, любая такая процедура может влиять на результат анализа, поэтому «внутренний стандарт» необходим.Эффективность любого метода наблюдений и контроля за состоянием объектов окружающей среды оценивается следующей совокупностью показателей:
•селективностью и точностью определения;•воспроизводимостью получаемых результатов;•чувствительностью определения;•пределами обнаружения элемента (вещества);•экспрессностью анализа.Основным требованием к выбранному методу является его применимость в широком интервале концентраций элементов (веществ), включающих как следовые количества, в незагрязнённых объектах фоновых районов, так и высокие значения концентраций в районах технического воздействия. 

ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Контактные методы наблюдений и контроля за состоянием природной среды дополняются неконтактными (дистанционными), основанными на использовании двух свойств зондирующих полей (электромагнитных, акустических, гравитационных): осуществлять взаимодействия с контролируемым объектом и переносить полученную информацию к датчику. Зондирующие поля обладают широким набором информативных признаков и разнообразием эффектов взаимодействия с веществом объекта контроля. Принципы функционирования средств неконтактного контроля условно подразделяют на пассивные и активные. В первом случае осуществляется приём зондирующего поля, исходящего от самого объекта контроля, во втором производится приём отражённых, прошедших или переизлученных зондирующих полей, созданных источником.Неконтактные методы наблюдения и контроля представлены двумя основными группами методов: аэрокосмическими и геофизическими. Основными видами аэрокосмических методов исследования являются оптическая фотосъёмка, телевизионная, инфракрасная, радиотепловая, радиолокационная, радарная и многозональная съёмка.Неконтактный контроль атмосферы осуществляется с помощью радиоакустических и лидарных методов. Вначале радиоволны были использованы для анализа состояния ионосферы (по отражению и преломлению волн), затем сантиметровые волны применили для исследования осадков, облаков, турбулентности атмосферы.Область использования радиоакустических методов ограничена сравнительно локальными объёмами воздушной среды (около 1–2 км в радиусе) и допускает их функционирование в наземных условиях и на борту воздушных судов.Одной из причин появления отражённого акустического сигнала являются мелкомасштабные температурные неоднородности, что позволяет контролировать температурные изменения, профили скорости ветра, верхнюю границу тумана.Принцип лидарного (лазерного) зондирования заключается в том, что лазерный луч рассеивается молекулами, частицами, неоднородностями воздуха; поглощается, изменяет свою частоту, форму импульса, в

результате чего возникает флюоресценция, которая позволяет качественно или количественно судить о таких параметрах воздушной среды, как давление, плотность, температура, влажность, концентрация газов, аэрозолей, параметры ветра. Преимущество лидарного зондирования заключается в монохроматичности, когерентности и возможности изменять спектр, что позволяет избирательно контролировать отдельные параметры воздушной среды. Главный недостаток – ограниченность потолка зондирования атмосферы с Земли влиянием облаков.

Основными методами неконтактного контроля природных вод являются радиояркостной, радиолокационный, флюоресцентный. Радиояркостной метод использует диапазон зондирующих волн от видимого до метрового для одновременного контроля волнения, температуры и солёности. Радиолокационный (активный) метод заключается в приёме и обработке (амплитудной, энергетической, частотной, фазовой, поляризационной, пространственно-временной) сигнала, отражённого от взволнованной поверхности.

Для дистанционного контроля параметров нефтяного загрязнения водной среды (площадь покрытия, толщина, примерный химический состав) используется лазерный отражательный, лазерный флюоресцентный методы и фотографирование в поляризованном свете.

Флюоресцентный метод основан на поглощении оптических волн нефтью и различии спектров свечения легких и тяжёлых фракций нефти. Оптимальный выбор длины возбуждающей волны позволяет по амплитуде и форме спектров флюоресценции идентифицировать типы нефтепродуктов.

Геофизические методы исследований применяются для изучения состава, строения и состояния массивов горных пород, в пределах которых могут развиваться те или иные опасные геологические процессы. К ним относятся: магниторазведка, электроразведка, терморазведка, визуальная съёмка (фото-, теле-), ядерная геофизика, сейсмические и геоакустические и другие методы.

В программу наземных инструментальных геофизических наблюдений в системе мониторинга включаются:

•районы размещения дорогостоящих, ответственных и особо опасных объектов промышленного и гражданского строительства;

•промышленные зоны, в которых ведётся добыча полезных ископаемых, откачка (закачка) подземных вод, рассолов (промышленных стоков), места складирования отходов и т.п.;

Смотрите также файлы