Методы исследования строительных материалов

Саратовский Государственный  Технический Университет 

Строительно - Архитектурно - Дорожный Институт

Кафедра: «Производство строительных изделий и конструкций» 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа по дисциплине:

«Методы исследования строительных материалов» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Саратов 2012

 

Содержание. 
 

  1. Прямые  и косвенные методы проведения изменений. Метод градуировочного графика, молярного свойства и добавок. Ограничения  применимости методов.                                                                              3
  2. Потенциометрия: теоретические основы, узлы прибора для потенциометрического титрования (водородный электрод, хлорсеребряный электрод – принцип действия).                                      10

Список  литературы.                                                                                         16

 

  1. Прямые  и косвенные методы проведения измерений. Метод градуировочного  графика, молярного  свойства и добавок. Ограничения применимости методов.
 

    Физико-химические методы анализа - это методы, в которых анализируемые вещества подвергают химическим превращениям, а анализируемый сигнал является физической величиной, зависящей от концентрации определённого компонента. Химические превращения способствуют выделению, связыванию анализируемого компонента или переводу его в форму, легко поддающуюся идентификации. Таким образом, детектируемая среда образуется в ходе самого анализа.

    Почти во всех физико-химических методах  анализа применяются два основных методических приёма: метод прямых измерений и метод титрования (метод косвенных измерений).

    Прямые  методы

    При прямых измерениях используется зависимость  аналитического сигнала от природы анализируемого вещества и его концентрации. В спектроскопии, например, длина волны спектральной линии, определяет свойство природы вещества, а количественной характеристикой является интенсивность спектральной линии.

    Поэтому, при проведении качественного анализа  фиксируют сигнал, а при проведении количественного анализа - измеряют интенсивность сигнала.

    Между интенсивностью сигнала и концентрацией  вещества всегда существует зависимость, которая может быть представлена выражением:

    I =K · С,

    где: I — интенсивность аналитического сигнала;

    K — константа;

    С — концентрация вещества.

    В аналитической практике наибольшее распространение получили следующие  методы прямого количественного  определения:

    1) метод градуировочного графика; 

    2) метод молярного свойства;

    3) метод добавок. 

    Все они основаны на использовании стандартных  образцов или стандартных растворов. 

    Метод градуировочного  графика. 

    В соответствии с законом Бугера - Ламберта - Бера график зависимости  оптической плотности от концентрации должен быть линейным и проходить  через начало координат.

    Готовят серию стандартных растворов  различной концентрации и измеряют оптическую плотность в одинаковых условиях. Для повышения точности определения число точек на графике  должно быть не меньше трех - четырех. Затем  определяют оптическую плотность исследуемого раствора Ах и по графику находят соответствующее ей значение концентрации Сх (рис.1.).

    Интервал  концентраций стандартных растворов  подбирают таким образом, чтобы  концентрация исследуемого раствора соответствовала  примерно середине этого интервала.

    Метод является наиболее распространенным в  фотометрии. Основные ограничения метода связаны с трудоемким процессом  приготовления эталонных растворов  и необходимостью учитывать влияние  посторонних компонентов в исследуемом  растворе. Чаще всего метод применяется  для проведения серийных анализов.

      
Рис.1. Градуировочный график зависимости  оптической плотности  от концентрации.

    В этом методе измеряется интенсивность  аналитического сигнала I у нескольких стандартных образцов и строится градуировочный график обычно в координатах I = f(с), где с – концентрация определяемого компонента в стандартном образце. Затем в этих же условиях измеряется интенсивность сигнала у анализируемой пробы и по градуировочному графику находится концентрация анализируемого вещества.

    Если  градуировочный график описывается  уравнением y = b•C, то он может быть построен по одному эталону, а прямая будет выходить из начала координат. В этом случае измеряются аналитические сигналы для одного стандартного образца и пробы. Далее рассчитываются погрешности, и строится корректирующий график.

    Если  градуировочный график строится по уравнению  y = a + b•C, то необходимо использовать как минимум два эталона. Реально для уменьшения погрешности используются от двух до пяти эталонов.

    Интервал  концентраций на градуировочном графике  должен охватывать предполагаемую область  анализируемых концентраций, а состав стандартного образца или раствора должен быть близок к составу анализируемого. На практике это условие редко  достигается, поэтому желательно иметь  широкий набор стандартных образцов разнообразного состава.

    В уравнении прямой y = a + b•C величина b характеризует наклон прямой и называется коэффициентом инструментальной чувствительности. Чем больше b , тем больше наклон графика и тем меньше погрешность определения концентрации.

    Может применяться и более сложная  зависимость, кроме того, перевод  функций в логарифмические координаты позволяет ослабить влияние побочных процессов и предотвращает появление  ошибки.

    Градуировочный  график должен строиться непосредственно  перед измерениями, однако в аналитических  лабораториях при выполнении серийных анализов используют постоянный, заранее  полученный график. В этом случае необходимо проводить периодические проверки правильности результатов анализов во времени. Частота контроля зависит  от величины серии проб. Так, для  серии из 100 проб выполняют один контрольный  анализ на каждые 15 проб. 

     Метод молярного свойства.

    Здесь также измеряется интенсивность  аналитического сигнала (I = Ac) у нескольких стандартных образцов и рассчитывается молярное свойство А, т.е. интенсивность аналитического сигнала, пропорциональная 1 моль вещества: А = I/cст..

    Или рассчитывается среднее молярное свойство по выражению:

    Ā=1/ni∑I/С , (1.7.4)

где: Ā – среднее молярное свойство;

ni – количество измерений i-х стандартных образцов;

 I – интенсивность сигнала;

 С – концентрация

    Затем в тех же условиях измеряется интенсивность  сигнала у анализируемой пробы  и по соотношению сх = I/A рассчитывается концентрация анализируемого компонента.

    Метод предполагает соблюдение соотношения  I = Ac.

    Метод добавок.

    Когда состав пробы неизвестен или о  нём имеется недостаточно данных, а также когда отсутствуют  адекватные стандартные образцы, применяется  метод добавок. Он позволяет в значительной степени устранить систематические погрешности, когда существует несоответствие между составом эталонов и проб.

    Метод добавок основан на введении в  серию одинаковых по массе и объёму проб анализируемого раствора (Ах) точно известного количества определяемого компонента (а) с известной концентрацией (Са). При этом измеряется интенсивность аналитического сигнала пробы до введения ( Ix ) и после введения дополнительного компонента (Iх+а).

    Этот  метод применяют для анализа  сложных растворов, т. к. он позволяет  автоматически учитывать влияние  посторонних компонентов анализируемого образца. Сначала измеряют оптическую плотность исследуемого раствора с  неизвестной концентрацией

    А х =     С х ,

    Затем в анализируемый раствор добавляют известное количество стандартного раствора определяемого компонента (Сст) и измеряют оптическую плотность А х+ст:

    А х+ст =     ( С х + С ст),

    откуда

    С х = С ст ·   .

    Для повышения точности добавку стандартного раствора определяемого компонента делают дважды и полученный результат  усредняют.

    Концентрацию  анализируемого вещества в методе добавок  можно найти графическим путем (рис.2.).

       
Рис.2. Градуировочный график для определения   концентрации вещества по методу добавок.

    Последнее уравнение показывает, что если строить график Ах+ст как функции Сст, то получится прямая, экстраполяция которой до пересечения с осью абсцисс дает отрезок, равный - Сх. Действительно, при Ах+ст= 0 из этого же уравнения следует, что - Сст = Сх.

     Следовательно, в этом методе сначала измеряют интенсивность аналитического сигнала пробы Ix, затем в пробу вводится известный объем стандартного раствора до концентрации сст. и снова измеряется интенсивность сигнала Ix+ст., следовательно

     Ix = Acx,     Ix+ст. = A(cx + cст.)

     сх = сст.

     Метод также предполагает соблюдение соотношения  I = Ac.

     Число проб с добавками переменных количеств  определяемого компонента может  варьироваться в широких пределах. 

     Метод косвенных измерений

    Косвенные измерения применяются при титровании анализируемой пробы кондуктометрическим, потенциометрическим и некоторыми другими методами.

    В этих методах в процессе титрования измеряется интенсивность аналитического сигнала - I и строится кривая титрования в координатах I - V, где V - объем добавляемого титранта в мл.

    По  кривой титрования находится точка  эквивалентности и проводится расчет, по соответствующим аналитическим выражениям:

     Q в-ва = Т г/мл · Vмл(экв)

     Виды  кривых титрования весьма многообразны, они зависят от метода титрования (кондуктометрическое, потенциометрическое, фотометрическое и т.д.), а также  от интенсивности аналитического сигнала, зависящего от отдельных влияющих факторов.

 

  1. Потенциометрия: теоретические основы, узлы прибора для  потенциометрического титрования (водородный электрод, хлорсеребряный электрод – принцип  действия).
 

    Электрохимические методы анализа - это совокупность методов  качественного и количественного  анализа, основанных на электрохимических  явлениях, происходящих в исследуемой  среде или на границе раздела  фаз и связанных с изменением структуры, химического состава  или концентрации анализируемого вещества. Включают следующие основные группы: кондуктометрию, потенциометрию, вольтамперометрию, кулонометрию. 

    Потенциометрия

    Потенциометрический метод анализа основан на измерении  электродных потенциалов и электродвижущих  сил в растворах электролитов.

    Различают прямую потенциометрию и потенциометрическое  титрование.

    Прямая  потенциометрия используется для непосредственного определения активности (a) ионов в растворе при условии обратимости электродного процесса (т.е. протекающего на поверхности электрода). Если известны индивидуальные коэффициенты активности компонентов (f), то можно определить непосредственно концентрацию (с) компонента: . Метод прямой потенциометрии надёжен благодаря отсутствию диффузионного потенциала в растворе, искажающего результаты анализа (диффузионный потенциал связан с разностью концентраций определяемого компонента на поверхности электрода и в объёме раствора).

    Наличие электродного потенциала на границе  раздела фаз «электрод-раствор» связано с установлением равновесия в процессе:

    

    Образующийся  на границе «электрод-раствор» двойной  электрический слой и обусловливает  скачок потенциала. Величина электродного потенциала описывается уравнением Нернста:

    

    где и - активности иона   и молекул (атомов) электрода в растворе; n-заряд иона (число электронов, участвующих в процессе); F- число Фарадея; R – универсальная газовая постоянная; T – абсолютная температура электрода; φ0 – нормальный потенциал.

    Обычно  полагают равным 1, если электрод участвует в электрохимической реакции в виде твёрдой фазы или газа, насыщающих раствор при давлении 0,1 МПа. Кроме того, = 1 для молекул растворителя.

    За  стандартный электродный потенциал  обычно принимают потенциал данного  электрода относительно водородного электрода, погружённого в раствор с единичной концентрацией ионов Водородный электрод – губчатый электрод из платиновой черни (пористая платина), насыщенный водородом (H2).

    Таким образом, электродный скачок потенциала является функцией концентрации катиона  в растворе. Такие электроды называются электродами первого рода. Если же электродный скачок потенциала зависит от концентрации анионов, то мы имеем дело с электродами второго рода.

    Примерами электродов первого рода являются серебряный и ртутный, а второго рода – хлорсеребряный и каломельный (их  Δφ зависит от концентрации ионов ). Последние наиболее распространены и изготовлены по одному принципу. Металл (Ag, Hg) погружен в раствор, насыщенный относительно его малорастворимой соли (AgCl, Hg2Cl2). Обычно эти соли наносят непосредственно на металл и полученные таким образом электроды погружают в буферный раствор (насыщенный раствор KCl).

    Большое распространение получили стеклянные электроды (рис. 3), представляющие собой шарик из стекла особого состава, в который помещены буферный раствор и хлорсеребряный электрод. Стекло за счёт ионного обмена по реакции

    

    приобретает определённый потенциал. Между тем  Δφ хлорсеребряного (внутреннего) электрода  не зависит от состава исследуемого раствора и поэтому результирующий скачок потенциала, измеряемый потенциометром, зависит только от равновесия рассмотренной  выше реакции, т.е. от концентрации атомов в растворе.

    
        
    Рис. 3. Стеклянный электрод

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Известно  же, что - называется водородным показателем раствора и является важной его характеристикой.

    Стеклянный  электрод очень удобен в работе. Он не требует градуировок при  переходе одного раствора к другому. Его поверхностная разность потенциалов  Δφ является линейной функцией в очень большом диапазоне концентраций : от 1 до или от до

    При прямом определении катионов и анионов  в комплексометрическом титровании (ионометрия) большие перспективы  имеет использование ионоселективных  электродов. Они состоят из мембран, отделяющих электрод 1 или 2 рода от раствора и проницаемых только для одного типа ионов. Диффундируя через мембрану, определяемые ионы вызывают скачок потенциала на поверхности электрода, который фиксируется потенциометром. В настоящее время созданы ионоселективные электроды для определения ионов:

    

    Так как непосредственно измерить величину потенциала электрода (φ) невозможно, то обычно определяют разность потенциалов  между электродом, на котором протекает  процесс с участием анализируемых  ионов (индикаторный электрод), и электродом сравнения, который должен иметь стабильный потенциал. В качестве потенциала электрода принимается разность между потенциалом на его поверхности и потенциалом водородного электрода (он принимается равным нулю). В качестве же потенциала сравнения использовать водородный электрод неудобно, поэтому вместо него берут хлорсеребряный или каломельный, имеющие необходимые свойства стабильности.

    Потенциометрические методы могут использоваться при  определении концентрации ионов  в расплавах. Для этого в качестве электрода сравнения берут металлический (обычно серебряный) электрод.

    Потенциометрию  используют при определении концентрации кислот и оснований (кислотно-основное титрование), при определении  водных вытяжек и водных суспензий материалов, для измерения концентрации различных ионов в растворах, для определения концентраций окислителей и восстановителей. Потенциометрия – один из надёжных методов индикации при титровании.

    
                
    Рис.  3.  Потенциометрическая ячейка     

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Электрохимическая ячейка при потенциометрических измерениях состоит (рис.3) из индикаторного 1 и вспомогательного 4 электродов, помещённых в анализируемый раствор 2. Схема измерений выполняется компенсационной, т.е. разность потенциалов электродов компенсируется ЭДС источника напряжения через переменное сопротивление или измеряется непосредственно. При потенциометрическом титровании точка эквивалентности устанав-    ливается по скачку ЭДС электрохимической ячейки  (рис.4).  Для большей точности точку эквивалентности устанавливают по  графику зависи мости производной ЭДС по потенциалу от величины внешнего потенциала (падение напряжения на переменном сопротивлении ).

    -

    
     
    Рис. 4.  График потенциометрического титрования

     
 
 
 
 
 
 

    Чувствительность  метода зависит от остаточного тока и ограничена Точность определений растворов не превышает 0,1%, а - 1%.

    Достоинства метода: селективность, быстрота определений, простота аппаратуры, возможность применения в системе автоматического титрования. Недостаток: область применения ограничена числом эффективных индикаторных электродов и обратимых систем. 

 

    

Список  литературы. 

    1. Васильев  В.П. Аналитическая химия. В 2ч. М.: Высш.шк. 1989 –  320- с.
    2. Ларионова З.М. Физико-химические методы исследования строительных материалов. – М.: Стройиздат, 1982
    3. http://www.twirpx.com/file/706570/?rand=6692153
    4. http://revolution.allbest.ru/manufacture/00209897_0.html
    5. http://www.edudic.ru/hie/1504/
    6. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/153726/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%85%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5
    7. otherreferats.allbest.ru/chemistry/00149193_0.html
 
 
 
 

     


Методы исследования строительных материалов