Тема 3: Методы измерения параметров окружающей среды [1], [2], [6], [7], [8]

Лекция 7. Классификация приборов контроля состояния окружающей среды:

1) Классификация по видам исследуемой среды:

приборы для измерения концентрации вредных примесей в атмосфере (газоанализаторы различного типа, хроматографы, масс-спектрометры);

приборы для определения качества воды (фотоэлектрокалориметры, ионометры, рефрактометры);

приборы для исследования состояния почвы и твердых веществ (спектрометры, флуориметры, радиометры).

2) Классификация по методам получения информации:

- химические (реактивы и оборудование стационарных химических лабораторий);

- физико-химические (спектрофотометры, фотоэлектрокалориметры, ионометры);

- электрохимические (ионометры, кондуктометры, полярографы);

- хроматографические (жидкостные и газовые хроматографы и различные хроматографические колонки);

- физические;

- радиометры и дозиметры;

- электромагнитомеры;

- масс-спектрографы;

- шумомеры.

3) Классификация по условиям применения:

- стационарные приборы (для атомного и молекулярного спектрального анализа, хроматографы). Это приборы прецизионные (точные) и требуют специальных условий для работы и подготовки обслуживающего персонала;

- переносные приборы экологического контроля (чаще всего называются приборами экспресс-анализа и используются, в частности, в передвижных экологических лабораториях). Эти приборы (радиометры, нитратометры, комплекты для качественного анализа воды и почвы) имеют невысокую точность, но могут использоваться для проведения простейших экологических работ.

4) Классификация по учебно-производственному принципу:

- приборы 1-го учебно-практического уровня (радиометр, натратомер, анализатор качества почвы). Эти приборы недорогие и простые для пользования;

- приборы 2-го учебно-профессионального уровня (основной уровень), предназначенные для профессиональных работников;

- приборы 3-го профессионального уровня, применяемые в промышленности, подразделениями Госсанэпидемнадзора и в науке. Это дорогие и точные приборы, для их обслуживания необходима специальная подготовка.

Лекция 8. Сведения о метрологии:

1) Сведения о метрологии:

Метрология – это наука о мерах. Современная метрология является учением о единицах, средствах и методах измерения. Основными задачами метрологии являются поверка и испытание измерительных приборов для установления точности и надежности их действия.

Основные понятия метрологии:

Величина – это количественная характеристика физического тела, явления или процесса.

Измерения – это действия, выполненные с помощью приборов; цель измерений – нахождение числового значения измеряемой величины в принятых единицах измерения.

Единица измерения – это значение физической величины, принятой за основание для сравнения при количественной оценке величины того же рода (например, метр – единица длины).

Система единиц – совокупность единиц измерения, охватывающих определенную область величин.

Измерения бывают контактные и бесконтактные. При контактном измерении датчик измерительного устройства соприкасается с измеряемым объектом, при бесконтактном – наоборот. К бесконтактным измерениям относятся оптические, радиоактивные и др. Контакт с измеряемым объектом может быть точечным, линейным и поверхностным.

2) Контролируемые и регулируемые параметры:

Контролируемый параметр	Обозначение	Регулируемый параметр	Обозначение
Температура	t	Концентрация	c
Давление	P	Частота вращения	n
Объемный расход или количество	G	Положение (перемещение) регулирующего органа	S
Уровень	H
Влажность	B	Количество теплоты	Q
Плотность	ρ	Линейное перемещение и длина	L
Вязкость динамическая	η	Доза радиоактивного излучения	D
Вязкость кинематическая	ν

3) Средства измерения:

Средства измерения подразделяются на меры, контрольно-измерительные приборы и измерительные приспособления.

Мерами называют тела, вещества и устройства, предназначенные для конкретного воспроизведения единицы измерения или определенного, заранее установленного раствора (метр, штангенциркуль и т.д.)

Контрольно-измерительные приборы – это устройства, которые служат для прямого или косвенного сравнения измеряемой величины с мерой.

Измерительные приспособления обеспечивают сравнение измеряемой величины с контрольной.

Контрольно-измерительные приборы классифицируются по способу получения результатов измерения и способу отсчета показаний и характеру применения.

4) Виды погрешностей:

Различают 3 основных вида абсолютных погрешностей: случайные, систематические и промахи.

Основными метрологическими характеристиками методики анализа являются сходимость, воспроизводимость, правильность, точность, чувствительность и предел обнаружения.

Лекция 9. Методы экологического мониторинга:

1) Общие сведения об аналитической химии:

Аналитическая химия – наука, занимающаяся изучением качественного и количественного состава различных веществ и их смесей.

Цель качественного анализа – обнаружение определенного катиона или аниона в смеси неизвестного состава.

Обычно в неорганической химии приходится иметь дело с электролитами, поэтому анализ сводится к определению ионов – катионов и анионов.

Качественная аналитическая реакция протекает с изменением внешних признаков, которые легко наблюдать визуально:

- выпадением или растворением осадка;

- изменением окраски раствора;

- выделением газа.

Простейший аналитический признак кислоты (точнее, иона Н⁺) – изменение цвета индикатора. Аналитический признак сульфид-иона – выделение при действии кислоты газа – сероводорода, легко распознаваемого по запаху

Кроме того, реакция должна протекать быстро и быть простой по исполнению. Важнейшим требованием для аналитической реакции являются специфичность и чувствительность.

Чем меньше количество ионов вступают в реакцию с данным реактивом, тем более специфична данная реакция.

Чем меньшее количество вещества может быть определено с помощью данного реактива, тем более чувствительна эта реакция.

Реакции, характерные для какого-либо иона называются частными реакциями. Каждая частная реакция характеризуется открываемым минимумом вещества в данном количестве раствора. Чем чувствительнее реакция, тем меньше открываемый минимум вещества.

2) Количественный анализ:

Цель количественного анализа – определение не только их наличия, но и количественная оценка их присутствия.

Все методы количественного анализа подразделяется на химические и физико-химические, физические и биологические. К химическим относятся гравиметрический, титриметрический анализ. К физико-химическим – фотометрия, нефелометрия, электрохимический (потенциометрия, вольтамперометрия, кондуктометрия), хроматографический методы анализа. К физическим (инструментальным) методам анализа концентраций химических элементов (соединений) в окружающей среде относят: метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), люминесцентные методы анализа химических веществ; радиометрические методы анализа концентраций химических веществ. Биологические методы – биоиндикация,

К химическим реакциям, используемым в количественном анализе предъявляются два основных требования – необратимость и высокая скорость.

В количественном анализе различают методы макро-, микро- и полумикрометод. При выполнении макроопределений определяются сравнительно большие (0,01-0,1 г) количества вещества.

Лекция 10. Методы экологического мониторинга:

1) Гравиметрический анализ:

Гравиметрическим анализом называют метод количественного анализа, при котором о количестве вещества элемента судят по массе вещества, полученного в результате анализа.

При решении аналитических задач весовым методом возможны несколько вариантов выполнения анализа. В первом, наиболее простом случае определяемую составную часть выделяют из вещества и взвешивают. Таким путем определяют содержание золы в каменном угле или продуктах промышленного органического синтеза, например, в красителях или в химикатах для полимерных материалов. Здесь зола является вредной примесью, снижающей качество основного продукта. Анализ проводят, сжигая в тигле точно взвешенное количество анализируемого вещества и прокаливая остаток до тех пор, пока масса оставшейся золы не перестанет уменьшаться (т.е. до постоянной массы). Остаток золы взвешивают и вычисляют содержание ее в анализируемом веществе.

Во втором случае определяемую составную часть удаляют из анализируемого вещества, а остаток взвешивают. Таким путем, например, определяют содержание кристаллизационной воды в хлориде бария ВаCl₂∙2H₂O. Анализ проводят путем высушивания точно взвешенного количества кристаллического хлорида бария.

2) Титриметрический анализ:

Объемным анализом называют метод количественного анализа, в котором основным точным измерением является точное измерение объемов растворов веществ, реагирующих между собой нацело.

Сущность объемного анализа заключается в следующем. К раствору, приготовленному из навески анализируемого вещества, постепенно приливают раствор реактива, концентрация которого точно известна. Реактив добавляют до тех пор, пока взаимодействующие вещества не прореагируют полностью. Тогда на основании точного измерения объема реактива вычисляют содержание определяемой составной части в анализируемом образце.

Момент окончания реакции, когда взаимодействующие вещества полностью прореагируют между собой, называется точкой эквивалентности, так как в этот момент количества прореагировавших веществ строго эквивалентны.

Лекция 11. Методы экологического мониторинга:

1) Физико-химические методы анализа:

Физико-химические методы основаны на проведении аналитических реакций, конец которых определяется с помощью приборов. Прибор фиксирует изменение физического свойства анализируемого вещества и может записать результат на ленте самописца или передать на световое табло

2) Электрохимические методы анализа:

Электрохимические методы анализа основаны на измерении и регистрации электрических параметров системы (аналитических сигналов), изменяющихся в результате протекания химических реакций.

Электрохимическая система обычно состоит из электрохимической ячейки, представляющей собой единое конструктивное оформление сосуда с исследуемым раствором и электродами. Принята следующая классификация этих методов:

К электрохимической группе методов анализа относятся:

1. Электровесовой анализ.

2. Кондуктометрический метод анализа.

3. Потенциометрический метод анализа.

4. Полярографический метод анализа и др. Первый из этих методов является весовым методом, а последующие (2—4) объемные методы анализа.

3) Оптические методы анализа:

К группе оптических методов анализа относятся:

1. Эмиссионный спектральный анализ.

2. Методы абсорбционного спектрального анализа в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Частным случаем абсорбционного анализа является колориметрия (см. § 10, стр. 273).

3. Анализ по спектрам комбинационного рассеяния света, основанный на изучении явления рассеивания световых лучей; этот метод дает возможность определять элементарный и молекулярный состав вещества.

К оптическим методам анализа также относятся:

Турбидиметрия, основанная на измерении количества света, поглощаемого мутными растворами. В турбидиметрии свет, поглощенный раствором или прошедший через него, измеряют теми же способами, как и при колориметрии окрашенных растворов.

Нефелометрия, основанная на использовании явлений отражения или рассеивания света частицами, взвешенными в растворе. Этот способ дает возможность определять очень малые количества вещества, находящегося в растворе в виде взвеси.

Люминесцентный, или флуоресцентный анализ, основанный на флуоресценции веществ, облученных ультрафиолетовым светом, и измерении интенсивности излучаемого ими видимого света. Флуоресцентные методы нашли широкое применение для определения следов различных примесей в неорганических и органических соединениях.

Фотометрия пламени (пламенная фотометрия), основанная на распылении раствора анализируемого вещества в пламени посредством распылителя, выделении характерного для данного элемента излучения и измерении интенсивности этого излучения. Приборы, используемые для фотометрии пламени, регистрируют излучение света только одной длины волны..Определение различных элементов в растворе анализируемого вещества вызывает необходимость специальной регулировки прибора для каждого определяемого элемента.

Лекция 12. Методы экологического мониторинга:

1) Хроматографические методы анализа:

Хроматографические методы анализа широко применяют в количественном анализе для разделения и выделения отдельных компонентов сложных смесей неорганических и органических соединений. Выделенные компоненты определяют обычными химическими, физическими и физико-химическими методами анализа.

В основе хроматографического метода, предложенного М. С. Цветом в 1903 г., лежат процессы сорбции и десорбции.

При пропускании газа или жидкости через мелкораздробленный нерастворимый материал последний частично поглощает газ или жидкость. Количество поглощенного вещества зависит от свойств поглотителя, поглощаемого вещества и от внешних условий: температуры, давления, концентрации. Это явление называется сорбцией, а поглощающий материал — сорбентом. Сорбцию, происходящую на поверхности сорбента, называют адсорбцией.

Вещества могут сорбироваться в виде молекул или ионов и образовывать с сорбентом сорбционные соединения различной прочности. При изменении внешних условий (например, температуры) под влиянием растворителей, при действии химических реагентов может произойти обратный процесс — десорбция, при котором сорбированные вещества снова переходят в раствор или в газовую фазу.

Хроматографическое разделение смесей основано на различии в сорбционных свойствах компонентов, т. е. на способности их по-разному сорбироваться и десорбироваться при прохождении смеси через сорбент.

2) Кондуктометрический метод:

При титровании определяемого вещества А стандартным раствором реактива В в случае получения нерастворимого или слабодиссоциирующего соединения (без учета разбавления) электропроводность раствора титруемого электролита уменьшается. Минимум на кривой титрования наблюдается к концу титрования (в точке эквивалентности). При избытке реактива электропроводность возрастает. Это служит признаком конца титрования.

Метод титрования, при котором точку эквивалентности определяют по резкому изменению электропроводности исследуемого раствора, носит название кондуктометрического титрования.

Кондуктометрическое титрование имеет большое значение при анализе окрашенных и мутных растворов, когда определение точки эквивалентности с помощью индикаторов затруднено. Обязательным условием применимости метода кондуктометрического титрования является заметное изменение электропроводности раствора в момент достижения точки эквивалентности. Изменение электропроводности титруемых растворов связано с изменением подвижности ионов.

Лекция 13. Методы экологического мониторинга:

1) Потенциометрия:

Зависимость величины потенциала индикаторного электрода от концентрации раствора может быть использована для определения точки эквивалентности при титровании. В точке эквивалентности, когда концентрация определяемого иона сильно уменьшается и становится практически ничтожной, происходит резкое изменение потенциала, регистрируемое гальванометром.

Титрование, при котором точка эквивалентности определяется по скачку потенциала электрода, погруженного в раствор, называют потенциометрическим титрованием. Потенциометрическое титрование применяют при методах нейтрализации, оксидиметрии, осаждения, комплексообразования.

2) Полярография:

В полярографическом методе анализа используется явление концентрационной поляризации, возникающее на электроде с малой поверхностью при пропускании электрического тока через растворы электролитов.

3) Фотометрия:

Фотометрические методы основаны на измерении поглощения, пропускания или рассеяния света определяемым веществом.

Некоторые бесцветные или слабоокрашенные ионы могут при взаимодействии с другими ионами давать окрашенные соединения. Эти цветные реакции лежат в основе фотометрии.

Лекция 14. Методы экологического мониторинга:

1) Нефелометрия:

Сущность метода заключается в количественном определении вещества по степени мутности раствора. Между определяемым веществом (ионом) и реактивом проходит реакция, в результате которой образуется труднорастворимое соединение. В то время как большие количества какого-либо вещества образуют с данным реактивом осадок, очень малые количества дают лишь легкую муть, поэтому этим методом определяют очень небольшие количества вещества. В основу метода положено сравнение степени мутности исследуемого и стандартного растворов по интенсивности рассеянного ими света, которая пропорциональна количеству взвешенных частиц в растворе и зависит от их размеров.

2) Радиометрический метод анализа:

Применяется при исследовании и контроле производственных процессов, в геохимии, медицине и т.д.

К определяемому веществу прибавляют известное количество того же самого вещества, содержащее радиоактивный изотоп. Поскольку химические свойства изотопов одного и того же элемента одинаковы, то наблюдаемая радиоактивность будет являться мерой общего количества элемента.

3) Активационный анализ:

Измеряется активность радиоактивного изотопа, образовавшегося после определенного времени облучения источником известной интенсивности и зная течение самой ядерной реакции, можно вычислить содержание интересующего элемента.