Файл: Содержание Общие вопросы аналитических измерений. Электрохимические методы.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.02.2024
Просмотров: 123
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Содержание:
1. Общие вопросы аналитических измерений.
2. Электрохимические методы.
-кондуктометрический метод измерений концентрации газов
-кондуктометрический метод измерений влажности
-кулонометрический метод
-потенциалометрический метод
З. Электрофизические методы.
-тепловой метод
-магнитный метод
-ёмкостный или диэлкометрическпй метод
4. Ионизационные методы.
5. Спектрометрические (волновые) методы.
-радиоспектрометрические методы
-электрооптические методы
-метод электронной спектроскопии
- радиоактивные методы
6. Комбинированные методы.
-масс-спектромические методы
-хроматографический метод
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВА.
1. Общие вопросы аналитических измерений.
Аналитические измерения, задачей которых является определение состава и концентрации веществ, широко применяются для контроля технологических процессов, в химических, биологических, геологических, космических исследованиях, в сельском хозяйстве, медицине, криминалистике и в ряде других областей. Объектами рассматриваемых измерений практически являются все существующие вещества и химические элементы, которые могут находиться в различных агрегатных состояниях. О масштабности аналитических измерений говорит тот факт, что только в химической промышленности необходимо производить анализ более 75 тысяч различных веществ и материалов. Особое значение аналитические измерения имеют для охраны труда и решения проблемы охраны среды обитания. Диапазон измеряемых концентраций чрезвычайно широк. Так, для измерения влажности и концентрации ряда чистых веществ в производственных условиях требуются приборы с верхним пределом измерения 100%. При изготовлении полупроводниковых материалов, волоконных световодов и чистых металлов ‚ необходимо определять примеси, концентрация которых составляет 10-6 -10-8 %. Развитие новых отраслей науки и техники, технология производства новых материалов и веществ с наперед заданными свойствами выдвигают все возрастающие требования к аналитическим измерениям. Например, при исследовании материалов для ядерной энергетики необходимо определять примеси, концентрация которых не превышает 10
-10 %.
Регулирование ряда сложных технологических процессов по косвенным параметрам (расход, температура, давление) уже недостаточно эффективно — требуются быстродействующие и точные средства измерений, которые в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами обеспечивали бы измерения параметров, непосредственно определяющих состав и свойства вырабатываемых материалов.
Множество анализируемых веществ и широкий диапазон измеряемых концентраций обусловили возникновение многочисленных и чрезвычайно разнообразных методов, основанных на использовании различных физико-химических явлений и свойств вещества. Все более широко используются внутриатомные и внутриядерные эффекты, позволяющие создавать наиболее чувствительные и избирательные методы анализа.
Особенностью аналитических измерений является сильная зависимость результатов измерений от общего состава вещества, его агрегатного состояния, внешних условий (давление, температура, скорость перемещения и др.). Эти факторы особенно влияют на точность методов, основанных на использовании интегральных свойств вещества, таких, как электропроводность, теплопроводность, магнитная и диэлектрическая проницаемость. Все это ограничивает возможности таких отдельно взятых методов измерений, каждый из которых, за небольшим исключением, пригоден для измерения концентрации одного компонента при известном и не особенно сложном составе анализируемой смеси.
Современная тенденция развития аналитического приборостроения— это более широкое применение селективных, комбинированных и многопараметрических методов, которые позволяют создавать чувствительные и точные средства определения состава и измерений концентраций многокомпонентных веществ. Селективные методы в отличие от интегральных позволяют переходить от измерения свойств веществ в целом к определению характеристик отдельных компонентов. Среди них особенно перспективны многие спектрометрические методы, основанные на использовании «глубинных» внутриатомных и ядерных явлений, на которые практически не влияют изменения внешних условии.
Для анализа многокомпонентных веществ широко применяются комбинированные методы, такие, как масс-спектрометрические, хроматографические и их сочетание или многопараметрический метод, основанный на одновременном или последовательном измерении ряда параметров исследуемого вещества и совместной математической обработке полученных результатов для определения концентрации каждого компонента. Успешному использованию этих методов способствует широкое применение средств вычислительной техники как для автоматизации самого процесса измерения, так и для обработки результатов измерений. Встроенные микропроцессоры и микро- ЭВМ позволяют не только повысить точность аналитических измерений, но и существенно увеличить быстродействие комбинированных средств измерений, которые применяются не только для научных исследований, но и в автоматизированных
системах управления технологическими процессами
Весьма сложной является задача метрологического обеспечения аналитических измерений, особенно в связи с повышением требований к точности таких измерений. Большое число объектов исследования и разнообразие используемых методов и средств измерений затрудняют унифицированный подход к метрологическому обеспечению этой области измерений. для большинства методов и средств аналитических измерений метрологическое обеспечение осуществляется на основе использования стандартных образцов состава или поверочных смесей с заданными свойствами и нормированных выходных сигналов, а для других — на основе эталонов, образцовых средств измерений и соответствующих поверочных схем.
В системе СИ в качестве основной единицы количества вещества введена единица — моль, которая определяется как количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг (СТ СЭВ 1052—78). Эта единица должна быть положена в основу обеспечения единства измерений состава и концентрации всех веществ и материалов в жидком, газообразном и твердом состояниях, включая аэрозоли и гидрозоли. Однако в настоящее время нет возможности точного воспроизведения моля в соответствии с его определением. Поэтому основой обеспечения единства аналитических измерений являются чистые вещества, абсолютные методы их аттестации и создаваемые на их основе меры концентрации
— стандартные образцы состава (СО состава) в виде образцовых жидких, твердых и газовых смесей известного состава и их комбинаций.
Многие методы измерений концентрации веществ основаны на сравнении свойства анализируемого объекта с мерой свойств с последующим переходом к определению концентрации по известной зависимости состав — свойство. Поэтому аналитические приборы могут иметь «шкалу свойств» и «шкалу концентраций. Приборы со шкалой свойств градуируются и поверяются по СО свойств или мерам физических величин, воспроизводящим соответствующие величины, например. с помощью магазинов сопротивлений, емкостей И др. Приборы со шкалой концентраций градуируются и поверяются по СО состава, которые являются наиболее эффективным средством обеспечения единства и требуемой точности измерений. Так, например, средства измерений состава, основанные на хроматографическом методе, обычно градуируются по газовым смесям представляющим собой упрощенную модель реально анализируемой газовой смеси, В
некоторых случаях СО состава могут, быть выполнены в виде бинарных газовых смесей, состоящих из анализируемого газа и инертного газа-носителя.
Для поверки гигрометров—приборов для измерения влажности газов применяются генераторы влажного газа, которые обеспечивают получение непрерывного потока парогазовой смеси с известными значениями влажности, определяемой путем измерения температуры и давления.
В качестве основных средств поверки влагомеров используются СО влажности или эквивалентные меры влажности, соответствующие требованиям ГОСТ 8376— 80, ГОСТ 8.326—78, ГОСТ 8.382—80 и др.
Ниже рассмотрены некоторые, наиболее распространенные электрические методы анализа веществ и соответствующие средства измерений, которые в зависимости от используемых физико-химических явлений или их сочетания разделяются на электрохимические, электрофизические, ионизационные, спектрометрические и комбинированные.
2. Электрохимические методы.
Электрохимические методы анализа основаны на применении электрохимических преобразователей, подробно рассматриваемых в работе. Эти методы широко применяются для анализа веществ в жидких средах, для измерения концентраций ряда газов и влажности.
При измерениях электрохимическими методами используются относительно простые средства измерений, выходным сигналом которых является электрический ток или напряжение. При этом в ряде случаев не требуется внешнего источника питания, поскольку сам электрохимический преобразователь является источником выходного электрического сигнала, используемого в качестве сигнала измерительной информации. Эти методы особенно пригодны для автоматического анализа веществ, для которых другие методы не обеспечивают нужной чувствительности или требуют более сложных и дорогостоящих средств измерений.
Наиболее распространенными электрохимическими методами являются кондуктометрический, кулонометрический, потенциалометрический и ряд их разновидностей, например полярографический, метод потенциометрического титрования и др.
Кондуктометрический метод измерений концентраций. Этот метод основан на зависимости электропроводимости веществ от их состава и концентрации отдельных компонентов. Метод широко применяется для измерения концентрации солей,
оснований и кислот в жидких растворах и расплавах, для измерения солености воды, в том числе в Мировом океане, для измерения концентрации газов по изменению электропроводимости раствора при поглощении им пробы анализируемого газа, а также для измерения влажности в твердых, газообразных и жидких средах.
Приборы, основанные на этом методе, называются кондуктометрическими концентратомерами, соленомерами, кондуктометрическими газоанализаторами и кондуктометрическими влагомерами.
В
зависимости от используемых типов электрохимических резистивных преобразователей кондуктометрические приборы разделяются на контактные и неконтактные (емкостные и индуктивные). Последние, в свою очередь, делятся на низкочастотные и высокочастотные. Емкостные высокочастотные кондуктомеры целесообразно использовать для измерения слабых концентраций электролитов, а индуктивные — для сильных. Высокочастотные кондуктомеры можно также применять для измерения концентраций твердых частиц в жидкости, особенно в непрозрачных и густоокрашенных жидких средах, которые нельзя исследовать с помощью оптических методов.Кондуктометрический метод получил широкое применение как в лабораторной практике, так и для технологических измерений. Недостатками метода являются его неселективность, двузначность и нелинейность зависимости электропроводимости от концентрации. Линейной эту зависимость можно считать только у растворов солей, оснований и кислот, концентрация которых не превышает 100 мг/л . Кондуктометрические приборы измеряют суммарную электропроводимость, создаваемую нонами всех растворенных веществ. Поэтому концентрацию одного вещества в растворе можно определить только в том случае, когда концентрация неопределяемых компонентов остается постоянной или если обусловленная ими электропроводимость очень мала. для расчета электропроводимости многокомпонентных сред используется относительная электропроводимость, которая представляет собой значение электропроводимости любого вещества в долях электропроводимости раствора NаС1 такой же весовой концентрации.
Промышленные кондуктометрические концентратомеры обеспечивают измерение электропроводимости в жидких средах с относительной погрешностью ±(1 — 5) % при температурах 0— 110°С и давлениях до 10