Химический контроль качества окружающей среды

 

Химический контроль качества окружающей среды

Коллоквиум № 1

 

1. Качество окружающей среды и экологические стандарты.

 

Что такое качество окружающей среды?

Качество окружающей среды — это степень соответствия природных условий физиологическим возможностям человека.

 

Какая среда называется экстремальной?

Среда называется экстремальной, когда при взаимодействии человека со средой наблюдаются необратимые изменения состояния здоровья.

 

Что такое ПДК?

ПДК (предельно-допустимая концентрация) – это количество вредного вещества в окружающей среде, отнесённое к массе или объёму её конкретного компонента, которое при постоянном контакте или при воздействии в отдельный промежуток времени практически не оказывает влияния на здоровье человека и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства.

 

Что такое ПДС?

Предельно допустимый сброс (ПДС) – экологический норматив: масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению в установленном режиме в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте; устанавливается с учётом ПДК веществ в местах водопользования.

 

Что такое ПДВ?

Предельно допустимый выброс (ПДВ) – норматив предельно допустимого выброса вредного (загрязняющего) вещества в атмосферный воздух, который устанавливается для стационарного источника загрязнения атмосферного воздуха с учётом фонового загрязнения и экологических нормативов качества атмосферного воздуха, предельно-допустимых нагрузок на экологические системы, других экологических нормативов.

 

Что такое эффект суммации действия?

Возможно наличие одновременно двух или более загрязняющих веществ в одном месте (в выделенной локальной области). При этом концентрации каждого из веществ могут быть меньше ПДК, но совместное их присутствие вызывает такой же эффект, как и при их содержании, превышающем ПДК. Это явление называется эффектом суммации действия. При совместном содержании в окружающей среде в локальной области нескольких веществ, обладающих суммацией действия, необходимо соблюдать следующее условие:

где С1, С2, ...Сn– фактические концентрации вредных веществ в окружающей среде; ПДК1, ПДК2,...ПДКn — предельно допустимые концентрации этих вредных веществ в окружающей среде.

 

 

2. Характеристики методов анализа.

 

 

Предел обнаружения – наименьшее количество (масса, концентрация) определяемого вещества, при котором вещество уверенно обнаруживается (идентифицируется) данным методом во всех повторных экспериментов с доверительной вероятностью Р.

Диапазон определяемых концентраций – диапазон количеств выявляемого в ходе анализа вещества, которые можно измерить данным методом.

Точность результата измерений – характеристика качества измерения, включающая правильность и воспроизводимость. Следует отметить, что о повышении качества измерений всегда говорят термином «увеличить точность» – притом, что величина, характеризующая точность, при этом должна уменьшиться.

Правильность – параметр, отражающий систематические ошибки и характеризующий близость полученного значения измеряемой величины к истинной.

Воспроизводимость – параметр, отражающий случайные ошибки измерения и показывающий степень разброса параллельных измерений.

Точность средства измерений– степень совпадения показаний измерительного прибора с истинным значением измеряемой величины. Чем меньше разница, тем больше точность прибора. Точность эталона или меры характеризуется погрешностью или степенью воспроизводимости. Точность измерительного прибора, откалиброванного по эталону, всегда хуже или равна точности эталона.

Воспроизводимость метода – степень близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных одним и тем же методом на идентичных объектах испытаний в разных лабораториях, разными операторами, с использованием различного оборудования.

Чувствительность – параметр, который характеризует изменение измеряемого сигнала Y при изменении концентрации С.

Сходимость результатов – характеристика качества измерений. Признаётся удовлетворительной, если результаты, полученные при исследовании одного и того же образца, в одной и той же лаборатории, в небольшой промежуток времени, на одном и том же аппарате, одним и тем же оператором, с химическими реагентами из одной и той же партии отличаются на величину, превышающую сходимость, только в одном случае из 20.

Разрешающая способность – способность отдельно измерять один и тот же аналитический сигнал, принадлежащим разным веществам. Аналитический сигнал – свойство определяемого вещества, позволяющее его обнаружить и измерить количественно.

Селективность – способность определения одного выбранного компонента смеси независимо от других.

Специфичность – определение какого-либо компонента смеси, когда аналитический сигнал, полученный с помощью данного метода, превышает по интенсивности аналитические сигналы всех других компонентов.

Надёжность – свойствообъекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Количественно, надёжность оборудования есть величина, обратная интенсивности отказов на заданном интервале времени. Интуитивно надёжность объектов связывают с недопустимостью отказов в работе. Это есть понимание надёжности в «узком» смысле – свойствообъекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Иначе говоря, надёжность объекта заключается в отсутствии непредвиденных недопустимых изменений его качества в процессе эксплуатации и хранения. Надёжность в «широком» смысле – комплексное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать в себя свойствабезотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, а также определённое сочетание этих свойств.

Трудоёмкость – затраты труда, рабочего времени на производство единицы продукции. Трудоёмкость обратно пропорциональна производительности труда, выработке продукции на одного работника.

Экспрессность – затраты времени на анализ.

Эффективность – относительный эффект, результативность процесса, операции, определяемое как отношение результата (эффекта) к затратам, расходам, обусловившим (обеспечившим) его получение.

 

 

 

3. Градуировочная функция.

 

Что такое градуировочная функция?

Градуировочная функция – это такая функция f, которая связывает математически содержание вещества (С) и величину аналитического сигнала (А).

 

Что такое градуировка?

Градуировка – процедура опытного построения градуировочной функции.

 

 

 

4. Погрешности и неопределённости измерений.

 

Что такое погрешность?

Погрешность – отличие результата единичного измерения от истинного значения измеряемой величины.

 

Что такое неопределённость результата измерения?

Неопределенность измерения – некоторый диапазон значений, в пределах которого может, с той или иной степенью достоверности, находиться истинное значение.

 

Что такое систематическая погрешность?

Систематическая погрешность – смещение всей серии данных (и её среднего) относительно истинного значения.

 

Что такое случайная погрешность?

Случайная погрешность – разброс данных относительно среднего значения из результатов измерения.

 

Что называют доверительным интервалом?

Доверительный интервал – диапазон значений, в котором с заданной доверительной вероятностью P может находиться истинный результат.

 

 

5. Рефрактометрический метод анализа.

 

Рефрактометрия. Определение.

Рефрактометрия – метод исследования веществ, основанный на определении показателя преломления (коэффициента рефракции) и некоторых его функций (молярная рефракция).

 

Показатель преломления.

Показатель преломления n – отношение скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей и твёрдых тел n определяют, как правило, относительно воздуха, для газов – относительно вакуума. Значения n зависят от длины волны света λ и температуры, которые указывают соответственно в подстрочном и надстрочном индексах, например – показатель преломления при 20°С для D-линии спектра натрия (λ=589 нм).

 

Методы рефрактометрии. Перечислить.

Основными методами рефрактометрии являются: 1) метод прямого измерения угла преломления света при прохождении им границы раздела двух сред; 2) метод, основанный на явлении полного внутреннего отражения (ПВО) света; 3) интерференционный метод; 4) иммерсионный метод.

 

 

 

6. Абсорбционные оптические методы анализа

и характеристики электромагнитного излучения.

 

Какие методы анализа называют абсорбционными оптическими?

Абсорбционные оптические методы анализа основаны на поглощении световой энергии атомами и молекулами анализируемых веществ. При поглощении света атомы и молекулы поглощающих веществ переходят в новое, энергетически возбуждённое состояние.

 

Атомно-абсорбционный анализ. Определение.

Атомно-абсорбционный анализ – метод анализа, основанный на поглощении световой энергии атомами анализируемых веществ в состоянии атомного пара.

 

Молекулярный абсорбционный анализ. Определение.

Молекулярный абсорбционный анализ – анализ по поглощению света молекулами анализируемого вещества и сложными ионами в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (соответственно спектрофотометрия, фотоколориметрия, инфракрасная спектроскопия).

 

Люминесцентный анализ. Определение.

Люминесцентный (флуорометрический) анализ – метод анализа, основанный на измерении излучения, возникающего в результате выделения избытка энергии возбуждёнными молекулами анализируемого вещества.

 

Частота колебаний.

Частота колебаний (ν) – число колебаний в единицу времени. Единицей частоты служит герц (Гц) или с–1 (1 Гц =1 колебание в секунду).

 

Длина волны.

Длина волны (λ) есть расстояние между соседними максимумами. Длина волны в Международной системе единиц (СИ) измеряется в метрах (м) и его долях – сантиметрах (см), миллиметрах (мм), нанометрах (1 нм= 10–9 м), ангстремах (1Å=10–10м).

 

Волновое число.

Волновое число (): =1/λ [см–1]. Волновое число показывает, сколько длин волн данного излучения укладывается в 1 см. По сложившейся традиции в волновых числах определяют излучение в инфракрасной области.

 

Период колебаний.

Период колебаний – время одного полного колебания.

 

 

7. Постулаты  Бора и законы поглощения света.

 

Первый постулат Бора.

Первый постулат Бора: атомы (молекулы) могут существовать, не изменяя своей энергии, т.е. не излучая и не поглощая её, только в определённых стационарных состояниях. Их энергии образуют дискретный ряд значений Е1, Е2, Е3 и т.д.

 

Второй постулат Бора.

Второй постулат Бора: атомы (молекулы), испуская или поглощая энергию, скачкообразно переходят из одного стационарного состояния в другое. Такой переход сопровождается изменением энергии системыΔЕ, равной энергии кванта hν: ΔЕ=Е2–Е1=hν=(hс)/λ=hc, где: h – постоянная Планка, h=6,626∙10–34Дж∙с;с – скорость света в вакууме (с=3⋅108 м/c),ν – частота поглощаемого излучения, с–1.

 

Монохроматическое излучение.

Монохроматическим называют излучение, заключенное в таком узком интервале длин волн, что дальнейшее его сжатие не позволяет получить о веществе дополнительную информацию.

 

Полихроматическое излучение.

Излучения, заключённое в широком интервале длин волн.

 

Закон Бугера-Ламберта.

Закон Бугера-Ламберта утверждает, что одинаковые слои одного и того же вещества поглощают свет в одинаковой степени независимо от интенсивности падающего потока: I=I0⋅10–kl,

где: k – коэффициент поглощения, который зависит от оптических свойств вещества.

 

Закон Бера.

Закон Бера утверждает, что коэффициент поглощения k пропорционален концентрации вещества С: k=ε⋅С [С – концентрация (моль/л), ε – молярный коэффициент ослабления, или экстинции, л/(моль⋅см)].

 

Объединённый закон Бугера-Ламберта-Бера.

Уравнение, переписанное в виде: I=I0⋅10–εСl, называют объединённым законом Бугера-Ламберта-Бера, который связывает уменьшение интенсивности света, прошедшего через слой светопоглощающего вещества, с концентрацией вещества и толщиной слоя.

Объединённый закон Бугера-Ламберта-Бера называют основным законом светопоглощения: оптическая плотность раствора A прямо пропорциональна молярному коэффициенту светопоглощенияε, концентрации поглощающего веществаС и толщине слоя раствора l.

 

Что называют светопропусканием?

Отношение I/I0 называется светопропусканим или прозрачностью образца, обозначают T:

Т=10–εСl, или lgT= –εСl, или lg(1/T)=εСl.

 

Что называют оптической плотностью?

Оптическая плотность, или абсорбция А, – это величина, равная lg(1/T) [А=lg(1/T)], А=εСl.

 

В каких пределах изменяется светопропускание?

Светопропускание изменяется от 0 до 1 или от 0 до 100 %.

 

В каких пределах изменяется оптическая плотность?

Оптическая плотность (абсорбция вещества) – безразмерная величина, изменяется от нуля (абсолютно прозрачные растворы) до бесконечности (абсолютно непрозрачные растворы).

 

 

8. Атомно-абсорбционный  анализ.

 

Атомно-абсорбционный анализ. Определение.

Атомно-абсорбционный анализ (атомно-абсорбционная спектрометрия) – метод количественного элементного анализа по атомным спектрам поглощения (абсорбции) веществ, находящихся в состоянии атомного пара.

 

Виды атомизаторов.

Обычно используются два вида атомизаторов – пламя и трубчатая печь.

Для создания пламени используют смеси ацетилена с воздухом (температура 2000-2300°С) и ацетилена с закисью азота (N2O) (2700-3200°С).

Трубчатые печи сопротивления изготавливают чаще всего из плотных сортов графита. Максимальная температура нагрева достигает 3000°С. Менее распространены тонкостенные трубчатые печи из тугоплавких металлов (W, Та, Мо), кварца с нихромовым нагревателем.

 

Каковы абсолютные пределы обнаружения в атомно-абсорбционном анализе?

Пределы обнаружения большинства элементов в растворах при атомизации в пламени составляют 1-100 мкг/л, в графитовой печи – 0,1-100 пг. Относительное стандартное отклонение в оптимальных условиях измерений достигает 0,2-0,5% для пламени и 0,5-1,0% для печи.

 

 

9. Инфракрасная  спектроскопия.

 

Инфракрасная спектроскопия. Определение.

Инфракрасная спектроскопия (ИК-спектроскопия) – раздел молекулярной оптической спектроскопии, изучающий спектры поглощения электромагнитного излучения в ИК-области. ИК-спектр представляет собой сложную кривую с большим числом максимумов и минимумов. Полосы поглощения появляются в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния изучаемой системы.

 

Спектральные характеристики молекулы.

Спектральные характеристики молекулы: 1) положения максимумов полос; 2) полуширина полос; 3) интенсивность. Спектральные характеристики индивидуальной молекулы зависят от масс составляющих её атомов, геометрического строения, особенностей межатомных сил, распределения заряда и др.

 

Валентное колебание.

Валентное колебание – колебание вдоль валентной связи фрагмента молекулы.

 

Деформационное колебание.

Деформационное колебание – колебания приводящее к изменению угла между валентными связями во фрагменте молекулы, содержащем не менее 3 атомов.

 

Составные колебания.

Составные колебания – колебания, которые включают в себя одновременное изменения длин валентных связей и углов между ними.

 

Что такое спектр излучения?

Спектр излучения – совокупность всевозможных энергетических переходов в молекуле, сопровождаемых поглощением (излучением) электромагнитного излучения.

 

Границы длин волн для фундаментальной ИК-области.

Фундаментальная (средняя) инфракрасная область – область длин волн 2-50 мкм, которая имеет чрезвычайно большое значение при исследовании органических соединений.

 

Из чего состоит полная энергия молекулы?

Полная энергия молекулы является суммой поступательной, вращательной, колебательной и электронной энергий: Е = Eпост + Еэл+ Екол+ Евр.

 

Какие молекулы могут поглощать ИК-излучение?

Способность вещества поглощать энергию ИК-излучения зависит от суммарного изменения дипольного момента молекулы при колебании и вращении, т.е. поглощать ИК-излучение может лишь молекула, обладающая электрическим дипольным моментом, величина или направление которого изменяется в процессе колебания и вращения. Дипольный момент означает несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в молекуле, т.е. электрическую асимметрию молекулы.

 

Какие частоты называют характеристическими?

Характеристические, или групповые, частоты – узкий интервал частот, в котором поглощают одинаковые химические группы атомов в различных по строению молекулах.

 

 

10. Хроматография: ионообменная, адсорбционная.

 

Хроматография. Определение.

Хроматография – динамический сорбционный метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения физико-химических свойств веществ. Основан на распределении веществ между двумя фазами – неподвижной (твёрдая фаза или жидкость, связанная на инертном носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент).

 

Ионообменная хроматография. Определение.

Ионообменная хроматография – основана на явлении обмена ионов, находящихся в растворе, и ионов, адсорбированных твёрдым адсорбентом.

 

Назовите адсорбенты, применяемые в ионообменной хроматографии.

В ионообменной хроматографии в качестве твёрдых адсорбентов применяют ионообменные смелы, или иониты. Они относятся к группе высокомолекулярных соединений.

Катиониты – смолы, поглощающие катионы. Аниониты – смолы, поглощающие анионы. Применяются также амфотерные иониты, или амфолиты, способные поглощать одновременно катионы и анионы.

 

Адсорбционная хроматография. Определение.

Адсорбционная хроматография – основана на различной адсорбируемости компонентов смеси, связанной с особенностями их строения и состава.

В адсорбционной хроматографии может быть использована жидкая или газообразная подвижная фаза, в соответствии с этим различают жидкостную и газовую хроматографию.

Для адсорбционной хроматографии в качестве адсорбентов применяют оксид алюминия, активированный уголь, силикагель, о-оксихинолин и другие вещества.

 

Требования, предъявляемые к адсорбенту в адсорбционной хроматографии.

Основные требования, предъявляемые к адсорбенту:

-) однородность по механическому  составу;

-) отсутствие химического  взаимодействия между адсорбентом  и анализируемыми веществами;

-) отсутствие каталитического  воздействия на растворитель  и определяемые вещества;

-) избирательность.

 

 

 

12. Хроматография: распределительная, осадочная.

 

Распределительная хроматография. Определение.

Распределительная хроматография – основана на явлении распределения растворённых веществ между двумя несмешивающимися растворителями, т.е. используются различия в коэффициентах распределения определяемых веществ между двумя несмешивающимися жидкими фазами – подвижной и неподвижной.

Распределительная хроматография может быть проведена на колонке (колоночная хроматография), на бумаге (бумажная хроматография) или в тонком слое адсорбента (тонкослойная хроматография).

 

Что такое коэффициент распределения?

Коэффициент распределения – величина, характеризующая различную скорость движения веществ в колонке, зависящую от растворимости веществ в подвижном и неподвижном растворителях. Определяется, как:

 

 

Что такое коэффициент Rf?

Коэффициентом Rf характеризует скорость перемещения веществ в слое адсорбента. Определяется, как:

 

где lx и lp – расстояние, пройденное соответственно веществом и фронтом растворителя.

Значение Rf зависит от применяемого растворителя и сорта хроматографической бумаги.

 

Осадочная хроматография. Определение.

Осадочная хроматография – основана на различной растворимости в данном растворителе образующихся осадков.

Основным фактором в осадочной хроматографии является процесс образования малорастворимых осадков. Во время формирования осадочной хроматограммы происходит многократное повторение процесса образования и растворения осадков. Процесс образования осадков обуславливает разделение веществ в порядке увеличения растворимости выделяющихся осадков.

 

Основное условие для осадочной хроматографии.

Основным условием для осадочной хроматографии является растворимость осадков.