Нефелометрический метод анализа

Содержание:

Введение

1. Нефелометрический и  турбидиметрический анализ

1.1. Основные законы и  формулы

2. Применение нефелометрического и турбидиметрического методов

2.1Достоинства нефелометрического  и турбидиметрического методов

3. Теория и практика  измерения мутности.

3.1 Из истории измерения мутности

3.2 Нефелометрия как метод  измерения мутности

4.Турбидиметрический метод

4.1.Сущность метода

4.2.Аппаратура, материалы  и реактивы

5.Охрана труда

Вывод

Литература

Приложение

Введение

В аналитической химии  часто приходится сталкиваться с  определением малых количеств веществ. Например, содержание примесей в чистых металлах исчисляется тысячными долями процента. Содержание такого количества вещества невозможно определить химическими методами, в таких случаях приходится использовать оптические методы анализа. Наибольшее распространение имеет абсорбционный анализ, который может выполняться спектрофотомерией, фотоколориметрией и колориметрией.

К оптическим методам относятся турбидиметрия и нефелометрия — анализ основан на поглощении и рассеянии лучистой энергии взвешенными частицами определяемого вещества, а также флуорометрия — основан на измерении вторичного излучения, возникающего при взаимодействии лучистой энергии с анализируемым соединением, и др.

Моя курсовая работа посвящена теоретическим основам турбидиметрии и нефелометрии и их практическому применению в анализе объектов.

1. Нефелометрический и турбидиметрический анализ 

1.1. Основные законы и формулы 

В нефелометрическом и  турбидиметрическом анализе используется явление рассеяния света твердыми частицами, находящимися в растворе во взвешенном состоянии. 

Пробу освещают потоком света  с интенсивностью I₀, а затем, так же как в молекулярной абсорбционной спектроскопии, измеряют интенсивность прошедшего излучения I_t или определяют интенсивность  излучения, рассеянного под определенным углом (например, I₉₀ при 90^о). С ростом числа частиц суспензии отношение I_t/I₀ уменьшается, а отношения вида I₉₀/I₀ увеличиваются, во всяком случае, до умеренных концентраций.

Для очень разбавленных суспензий  измерение под углом гораздо  чувствительнее, чем измерения, когда  источник и приемник излучения находятся  на одной линии, поскольку при  этом можно наблюдать слабый рассеянный свет на темном фоне (Приложение 1).

Метод, в котором используют интенсивность прошедшего света I_t, называют турбидиметрией, а метод с измерением под углом 90^о (или каким-либо другим) – нефелометрией. При турбидиметрических измерениях величина, называемая мутностью, соответствует оптической плотности и может быть определена из соотношения, аналогичного основному закону светопоглошения:

S = lg (I₀/I) = k b N,

где S – мутность; k – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом мутности; b – длина пути; N – число рассеивающих частиц в единице объема. 

Для турбидиметрических измерений  можно использовать любой фотометр или спектрофотометр. Если растворитель и рассеивающие частицы бесцветны, максимальная чувствительность достигается  при использовании излучения  голубой или ближней ультрафиолетовой области. Для окрашенных систем оптимальную длину волны необходимо подбирать экспериментально.

Используемое в нефелометрии расчетное соотношение следующее:

I = K_a c I₀,

где K_a - эмпирическая константа системы (угол, под которым проводят измерения); с – концентрация . 

Конструкции приборов для  нефелометрических и люминесцентных измерений идентичны, поэтому любой  флуориметр можно использовать в качестве нефелометра. Поскольку длина волны при рассеянии не изменяется, необходимость во втором монохроматоре или светофильтре отпадает, но если они имеются в приборе, то их следует настроить на длину волны падающего света. Многие серийные флуориметры снабжены специальными приспособлениями для нефелометрических измерений. 

Применение методов, основанных на измерении рассеяния света, достаточно ограничено, прежде всего потому, что на измеряемый сигнал сильно влияет размер частиц. Поэтому необходимо строгое соблюдение идентичности условий построения градуировочного графика и анализа исследуемого раствора. Можно сказать, что и нефелометрия, и турбидиметрия могут быть полезными для селективных аналитических реакций, в результате которых образуется твердое соединение. Описаны методики определения аммиака иодидом ртути (реактив Несслера), фосфата в виде малорастворимого соединения с молибденом и стрихнином, сульфата бария с пределами обнаружения десятые-сотые доли микрограмма в миллилитре и др.

Более интересно применение методов, основанных на рассеянии света, для определения средней молекулярной массы полимеров в растворах.

Еще одно направление практического  использования таких методов  – это применение лазеров для  дистанционного определения частиц, содержащихся в воздушном пространстве.

2. Применение нефелометрического и турбидиметрического методов

Нефелометрический и турбидиметрический методы применяются для анализа  суспензий, эмульсий, различных взвесей  и других мутных сред. Интенсивность  пучка света, проходящего через  такую среду, уменьшается за счет рассеивания и поглощения света  взвешенными частицами.

Нефелометрический метод  определения концентрации основан  на измерении интенсивности света, рассеянного взвешенными частицами. Интенсивность рассеянного света  подчиняется закону Релея:

где Iн и I0 - интенсивности рассеянного и падающего света; n1 и n2 - коэффициенты преломления частиц и среды; N - общее количество светорассеивающих частиц; х - объем одной частицы; л - длина волны падающего света; r - расстояние до приемника рассеянного света; в - угол между падающим и рассеянным светом. В условиях нефелометрического определения ряд величин остается постоянным и уравнение (V.1) переходит в

Множитель 1/ л4 указывает на быстрое возрастание интенсивности рассеянного света с уменьшением длины волны падающего света. Так как красный свет рассеивается меньше, чем любой другой при прочих равных условиях, различные сигнальные огни (стоп-сигналы, огни маяка и т. д.) бывают красные.

Серьезное затруднение в  практике нефелометрии состоит в  том, что интенсивность рассеянного  света зависит от объема частиц. Большое значение в связи с  этим приобретает унификация методики приготовления взвеси - строгое соблюдение концентрационных и температурных условий, порядка и скорости смешения растворов, введение защитных коллоидов и т. д. При строгом соблюдении этих условий объемы частиц суспензии получаются примерно одинаковые, и их размер вполне удовлетворительно воспроизводится от опыта к опыту.

Концентрацию можно выразить числом частиц в единице объема:

где V - объем суспензии; NA - постоянная Авогадро.

Подставляя (V.3) в (V.2), получаем:

При постоянных V, х, l уравнение (V.4) принимает вид:

Или

Уравнение (V.6) показывает, что  отношение интенсивности рассеянного  света к интенсивности падающего  пропорционально концентрации взвешенных частиц. Калибровочный график в координатах  Iн/I0 как функция С будет линеен. Тем не менее иногда можно встретить рекомендацию строить калибровочный график в координатах Dкаж - С, где Dкаж - так называемая относительная или кажущаяся оптическая плотность, рассчитываемая как Dкаж=-lg(Iн/I0) Такая рекомендация дается, например, в заводских описаниях некоторых нефелометров (НФМ и др.).

Из (V.6) следует, что

т.е. Dкаж уменьшается с ростом концентрации, что вполне понятно, так как с увеличением концентрации увеличивается число рассеивающих частиц и интенсивность рассеянного света возрастает.

В соответствии с уравнением (V.7) график в координатах Dкаж - lg С будет линеен в противоположность графику в координатах Dкаж - С.

Турбидиметрические методы основаны на измерении интенсивности  света It прошедшего через анализируемую суспензию. При достаточном разбавлении интенсивность прошедшего света подчиняется уравнению

где l - толщина слоя, a k - иногда называют молярным коэффициентом мутности раствора.

В турбидиметрии применяются приемы работы и приборы, обычно используемые в фотометрии растворов, чаще всего метод калибровочного графика. Известен также ряд методик турбидиметрического титрования. Турбидиметрические определения обычно выполняют с помощью фотоэлектрических колориметров-нефелометров (ФЭК-56-2, ФЭК-60 и др.).

2.1Достоинства  нефелометрического  и турбидиметрического  методов

Основным достоинством нефелометрических  и турбидиметрических методов является их высокая чувствительность, что  особенно ценно по отношению к  элементам или ионам, для которых  отсутствуют цветные реакции. В  практике широко применяется, например, нефелометрическое определение  хлорида и сульфата в природных  водах и аналогичных объектах. По точности турбидиметрия и нефелометрия уступают фотометрическим методам, что связано, главным образом, с трудностями получения суспензий, обладающих одинаковыми размерами частиц, стабильностью во времени и т. д. К обычным сравнительно небольшим погрешностям фотометрического определения добавляются ошибки, связанные с недостаточной воспроизводимостью химико-аналитических свойств суспензий.

3. Теория и практика измерения мутности.

3.1 Из истории измерения мутности

Практические попытки  количественно измерить мутность относятся  к 1900 году, когда Уиппл и Джексон разработали стандарт суспензии, содержащей 1000 миллионных долей (ppm) кизельгура (диатомитовой земли) в дистиллированной воде. Разбавление этой суспензии позволило создать так называемую "кремнеземную" шкалу мутности на основе ряда стандартных суспензий для калибровки турбидиметров того времени.

Джексон воспользовался этой шкалой для работы с существовавшим тогда прибором диафанометром и  создал то, что известно под названием "свечной турбидиметр Джексона". Он состоял из специальной свечи и плоскодонной колбы. Джексон откалибровал его в единицах ppm по мутности взешенного кремнезема. Для определения мутности образец медленно наливали в колбу до тех пор, пока изображение пламени, наблюдаемое сверху не превращалось в бесформенное свечение (Приложение 2).

Погасание образа происходило, когда сравнивались интенсивность  рассеянного света с интенсивностью света проходящего. Высота жидкости в колбе затем переводилась в  единицы кремнеземной шкалы, а мутность определялась в джексоновских единицах мутности (JTU). Тем не менее, устойчивого состава стандартов достичь было трудно, поскольку их готовили из различных природных материалов - сукновальной глины, каолина, донных отложений.

3.2 Нефелометрия как метод измерения мутности

Со временем потребность  в прецизионном определении низких значений мутности в образцах, содержащих взвеси очень мелких частиц, потребовала  улучшения характеристик турбидиметров. Факельный турбидиметр Джексона имел серьезные ограничения в применении, поскольку не мог использоваться для определения мутности ниже 25 JTU. Точно определить мутность было весьма затруднительно и определение точки погасания сильно зависело от человека. Кроме того, поскольку источником света в приборе Джексона было пламя свечи, падающий свет находился большей частью в длинноволновой области спектра, где рассеяние на мелких частицах не эффективно. По этой причине прибор был нечувствителен к суспензиям очень мелких частиц. (Мелкие частицы кремнезема не приводили к погасанию образа пламени в факельном турбидиметре Джексона.) С помощью факельного турбидиметра невозможно также определить мутность, вызванную черными частицами, например сажи, поскольку поглощение света такими частицами настолько больше рассеяния, что поле зрения становилось черным до того, как достигалась точка погасания.

Было разработано несколько  турбидиметров, работающих на определении погасания, с усовершенствованными источниками света и методиками сравнения, но погрешность определения человеком приводила к недостатку точности. Фотодетекторы чувствительны к малейшему изменению интенсивности освещения. Они стали широко использоваться для измерения ослабления света, проходящего через образец фиксированного объема. Приборы обеспечивали при определенных условиях гораздо большую точность, но по прежнему не могли определить высокую или предельно низкую мутность. При низкой степени рассеяния изменение в интенсивности проходящего света, измеряемое в одной точке, настолько мало, что практически не детектируется ничем. Обычно сигнал просто терялся в шуме электронных компонентов. На больших концентрациях множественное рассеяние взаимодействовало с простым рассеянием.

Решение проблемы заключается  в том, чтобы определять количество света, рассеянного под углом  к падающему свету и затем  соотносить количество рассеянного  под углом света с реальной мутностью образца. Считается, что  угол в 90° позволяет обеспечить наибольшую чувствительность к рассеянию на частицах. Большинство современных  приборов определяют рассеяние под  углом 90° (Приложение 3).

 Такие приборы называются нефелометрами или нефелометрическими турбидиметрами, чтобы показать их отличие от обычных турбидиметров, которые определяют соотношение между количеством прошедшего и поглощенного света.

Благодаря своей чувствительности, точности и применимости в широком  диапазоне размеров и концентраций частиц, нефелометр был признан в  Стандартных методах как предпочтительный прибор для определения мутности. Также предпочтительными единицами  выражения мутности стали нефелометрические единицы мутности NTU. В опубликованных американским Управлением по охране окружающей среды Методах химического анализа воды и стоков нефелометрический метод также определяет нефелометрию как метод определения мутности.

4.Турбидиметрический метод

4.1.Сущность метода

Метод основан на определении  сульфат-иона в виде сульфата бария солянокислой среде с помощью гликолевого реагента. Гликоль введенный в реакционную смесь при осаждении сульфата бария стабилизует образующуюся суспензию BaSO4 и делает возможным турбидиметрическое микроопределение сульфатов. Чувствительность метода 2 мг/л SO4

4.2.Аппаратура, материалы и реактивы

1. КФК-2

2. Этиленгликоль

Подготовка к  анализу

Приготовление основного  стандартного раствора сернокислого калия Приготовление гликолевого реагента

Гликолевый реагент—раствор  хлористого бария в смеси гликоля  и этанола. Для приготовления  этого раствора смешивают один объем 5%-вого раствора хлористого бария с  тремя объемами гликоля и тремя  объемами 96%-ного этанола. Величину рН раствора регулируют соляной кислотой (1:1) в пределах 2?5—2,8 и оставляют на на 1—2 суток. Раствор устойчив в течение 3—6 месяцев.

Проведение анализа

К 5 мл исследуемой пробы  или концентрата воды, отобранной в мерный цилиндр вместимостью 10 мл, прибавляют 1—2 мл соляной кислоты (1:1) и 5 мл гликолевого реагента, тщательно  перемешивают. После 30 мин экспозиции измеряют оптическую плотность раствора фотоэлектроколориметром, в кюветах l=20мм и светофильтром с длиной волны 364 нм. Исследуемая проба воды с добавлением гликолевого реагента, приготовленного без хлорида бария, является раствором сравнения. Содержание сульфатов находят по калибровочной кривой.

Для построения калибровочной  кривой в ряд мерных колб. вместимостью 50 мл вносят 0,0; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0 мл основного стандартного раствора сульфата калия (0,5 мг SO42- в 1 мл) и доводят объем до метки дистиллированной водой, Приготовленные растворы содержат; 0,0; 1,0; 2,0; 4,0; 6,0; 8,0; 10; 12; И; 16; 18; 20 мг/л S042-. Отмеривают по 5 мл из каждого раствора в мерные цилиндры вместимостью 10 мл (или в мерные колориметрические пробирки с отметкой 10 мл).

В каждый цилиндр с образцовым раствором прибавляют 1—2 капли НС1 (1:1) и 5 мл гликолевого реагента, тщательно перемешивают, через 30 мин измеряют оптическую плотность. Затем строят калибровочный график.

Другим примером является турбодиметрическое определение мутности по ГОСТ 3351-74, где основной стандартный раствор суспензии готовят из каолина или из трепела. Измерение проводят при длине волны 530нм. Стандартные растворы содержат от 0,1 до 5,0 мг/л. Анализ пробы осуществляют не позднее чем через 24ч. После отбора пробы. Проба консервируется добавлением 2-4 мл хлороформа на 1 л воды. Мутность не должна превышать 1,5 мг/л (в паводковый период 2 мг/л).

5.Охрана труда

5.1. Общие требования безопасности

Общая организация работы по охране труда в лаборатории возлагается  на руководителя лаборатории. Руководитель лаборатории обязан организовать обучение и проведение инструктажа работников лаборатории по технике безопасности. 
К работе в химической лаборатории допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие медицинскую комиссию, обучение и аттестованные по правилам техники безопасности при работе с агрессивными средами. 
Лаборанты допускаются до работы при наличии следующих средств индивидуальной защиты: халат хлопчатобумажный; перчатки резиновые; очки защитные. 
Помещение лаборатории должно быть оборудовано противопожарным инвентарем (пожарный рукав со стволом, огнетушители). Ответственным за противопожарное состояние лаборатории приказом назначается руководитель лаборатории. 
В помещении лаборатории должна быть разработана и утверждена схема эвакуации персонала на случай пожара или др. чрезвычайных ситуаций. Двери эвакуационных выходов должны открываться наружу.Лаборатория должна быть оборудована приточно-вытяжной вентиляцией, иметь водопровод, канализацию, подводку газа и электроэнергии, центральное отопление и горячее водоснабжение. Помимо общей вентиляции помещение лаборатории должно быть оборудовано вентиляционными устройствами для отсоса воздуха из вытяжных шкафов. Скорость движения воздуха в сечении открытых на 0,15-0,3м створок шкафа должна быть не менее 0,7м/с и не менее 1,5м/с при работе с особо вредными веществами. Количество реактивов, легко воспламеняющихся и горючих жидкостей в лаборатории не должно  превышать суточной потребности. 
На каждом сосуде с химическим веществом должна быть наклеена этикетка с четким наименованием содержащегося в нем вещества и указанием его концентрации. На сосудах с ядовитыми веществами, кроме того, должна быть надпись «яд».Все ядовитые вещества необходимо хранить в металлическом сейфе. 
Ядовитые вещества должны выдаваться для работы по письменному разрешению начальника лаборатории. На израсходованное количество ядовитых веществ должен составляться акт.

5.2.Требования безопасности перед началом работы

До начала работы проверить состояние  рабочего места, инвентаря, а также  чистоту рабочего места. Одеть положенную спецодежду и др.  
Включить приточно-вытяжную вентиляцию за 30 мин до начала работы.

5.3. Требования безопасности во время работы

Выполнять только ту работу, которую  Вам поручил руководитель лаборатории. 
При выполнении работ с повышенной опасностью, при работе в ночное и вечернее время в лаборатории должно находиться не менее 2-х человек, при этом один назначается старшим. При работе с концентрированными кислотами, и щелочами без защитных приспособлений (очки, перчатки) выполнение работ запрещается. При работе с дымящей азотной кислотой с уд. весом 1.15-1.52, а также с олеумом, кроме очков и резиновых перчаток следует надевать резиновый фартук. При перемешивании концентрированных растворов едких щелочей необходимо надевать защитные очки, а при больших количествах растворов - также резиновые перчатки и прорезиненный фартук. 
При раскалывании крупных кусков едких щелочей необходимо обернуть куски тканью или бумагой, надеть защитные очки  и на голову повязать косынку. 
Концентрированная азотная, серная и соляная кислоты должны храниться в лабораториях в толстостенной стеклянной посуде, емкостью не более 2 литров, в вытяжном шкафу, на поддонах. Склянки с дымящей азотной кислотой следует хранить в специальных ящиках из нержавеющей стали. 
кислоты, щелочи и др. едкие жидкости следует разливать при помощи стеклянных сифонов с грушей или других каких-либо нагнетательных приспособлений. 
Разлив концентрированных азотной, серной и соляной кислот и работа с ними должна проводиться только при включенной тяге в вытяжном шкафу. При этом дверцы вытяжных шкафов должны быть по возможности прикрыты. 
Работа по переноске кислот и щелочей выполняются лицами, специально обученными, при этом они должны соблюдать следующие правила: 
-переноска кислот одним человеком разрешается в соответствующей стеклянной таре емкостью не более 5л в специальных корзинах или ведрах. 
-бутыли емкостью более 5л с кислотами и растворами щелочей должны помещаться в прочные корзины, причем свободные промежутки заполняются соломой или стружкой и переносятся двумя работниками. 
В местах хранения азотной кислоты нельзя допускать скопления пыли, соломы и др. воспламеняющихся веществ. При разбавлении серной кислоты ее следует медленно приливать в воду. Добавку воды в кислоту категорически запрещается. Эту операцию следует проводить в фарфоровых стаканах, т. к. она сопровождается сильным нагревом. Применение в качестве сифона резиновых шлангов для переливания концентрированных кислот запрещается. 
Категорически запрещается набирать кислоты и щелочи в пипетки ртом. Для этой цели следует применять резиновую грушу. Слив отработанной кислоты или щелочи в канализацию допускается только после предварительной нейтрализации. 
В лаборатории должна быть аптечка с набором медикаментов для оказания доврачебной помощи.

5.4.Требования безопасности в аварийных ситуациях

Если кислота или щелочь, случайно, будет пролита, ее вначале засыпают песком, чтобы он их впитал. Затем  песок убирают и место, где  была разлита кислота, щелочь засыпают известью или содой, а после замывают водой и насухо вытирают. При химическом ожоге пораженное место сразу  же промыть большим количеством  проточной холодной воды из под крана, из резинового шланга или ведра в течение 15-20 мин. Если кислота или щелочь попала на кожу через одежду, то сначала надо смыть ее водой с одежды, после чего промыть кожу. При попадании на тело человека серной кислоты в виде твердого вещества необходимо удалить ее сухой ватой или кусочком ткани, а затем пораженное место тщательно промыть водой. При химическом ожоге полностью смыть химические вещества водой не удается. Поэтому после промывания пораженное место обрабатывают раствором питьевой соды (одна чайная ложка на стакан воды).При попадании брызг щелочи или паров в глаза и полость рта необходимо промыть пораженные места большим количеством воды, а затем раствором борной кислоты (0,5 чайной ложки кислоты на стакан воды). 
При попадании кислоты или щелочи в пищевод срочно вызвать врача скорой помощи. Нельзя промывать желудок водой. Хороший эффект дает прием внутрь молока, яичного белка, растительного масла, растворенного крахмала.

5.5. Требования безопасности по окончании работы

По окончании рабочего дня каждый работник лаборатории обязан проверить  и привести в порядок свое рабочее  место, приборы и аппараты, отключить  вентиляцию, проверить закрытие кранов газовых горелок, всех электронагревательных  приборов, закрытие водяных кранов, окон. Проверить, не осталось ли неубранной промасленной ветоши (тряпок). Отключить освещение.

Вывод:

В своей курсовой работе я осветила теоретические основы турбидиметрии и нефелометрии и их практическое применению в анализе объектов, а также достоинства нефелометрических и турбидиметрических методов.

Литература:

1.Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотометрическим методам анализа -5-е изд., перераб.- Л.:Химия, 2001. - 432 с.

2.Васильєв В.П. Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 2. Физико – химические методы анализа: Учеб. для Химко – технол. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 384с.

3.Пилипенко А.Т., Пятницкий И.В. Аналитическая химия. В двух книгах: кн..1 – М.: Химия, 2003. -480с.

4.Пилипенко А.Т., Пятницкий И.В. Аналитическая химия. В двух книгах: кн..2 – М.: Химия, 2003. -480с.

Приложение 1

 Приложение 2

Свечной турбидиметр Джексона