Инструментальные методы химического анализа

Российский Государственный  Социальный Университет

Факультет охраны труда  и окружающей среды

 

 

 

 

Курсовая работа на тему:

«Инструментальные методы химического анализа».

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы ЗОС-Д-2

Геззатова Д.Ж

Проверил:

к.х.н., доцент

Брудзь С.П.

 

 

 

 

 

Москва 2011

 

Содержание:

Введение

Оптические  методы анализа

Фотометрический метод анализа

Эмиссионный спектральный анализ

Атомно- абсорбционный  анализ

Нефелометрический и турбидиметрический анализ

Люминесцентный  анализ

Электрохимические методы анализа

Потенциометрический метод анализа

Кондуктометрический метод  анализа

Кулонометрический метод  анализа

Вольтамперометрический  метод анализа

Хроматографические  методы анализа

Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение:

Без анализа нет синтеза

Ф. Энгельс

 

 

   Физико-химические методы анализа находят широкое применение при исследовании свойств и состава различных веществ, в том числе твердых, газообразных и жидких. Физико химические методы анализа в практической аналитической химии представлены в большом разнообразии.Аналитическая химия – наука о способах идентификации химических соединений, о принципах и методах определения химического состава веществ и их структуры. Особую актуальность аналитическая химия приобрела в настоящее время, поскольку основным фактором неблагоприятного антропогенного воздействия на природу являются химические загрязнения. Определение их концентрации в различных природных объектах становится важнейшей задачей. Знания основ аналитической химии одинаково необходимо современному студенту, инженеру, преподавателю, предпринимателю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОПТИЧЕСКИЕ  МЕТОДЫ АНАЛИЗА

К оптическим методам  анализа относят физико-химические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с  веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения. Оптические методы включают в себя большую группу спектральных методов анализа.

В методах атомной  спектроскопии мы имеем дело с узкими линейчатыми спектрами, а в методах молекулярной спектроскопии – с широкими слабоструктурированными спектрами. Это определяет возможность их применения в количественном анализе и требования, предъявляемые к измерительной аппаратуре – спектральным приборам.

Фотометрический метод  анализа

Основные  законы и формулы

Фотометрический анализ относится к абсорбционным методам, т.е. основан на измерении поглощения света веществом. Он включает спектрофотометрию, фотоколориметрию и визуальную фотометрию, которую обычно называют колориметрией.

Каждое вещество поглощает  излучение с определенными (характерные  только для него) длинами волн, т.е. длина волны поглощаемого излучения  индивидуальна для каждого вещества, и на этом основан качественный анализ по светопоглошению.

Основой количественного  анализа является закон Бугера-Ламберта-Бера:

А = e l c

где А = –lg (I / I₀) = –lg T – оптическая плотность;

I₀ и I – интенсивность потока света, направленного на поглощающий раствор и прошедшего через него;

с – концентрация вещества, моль/л;

l – толщина светопоглощающего слоя;

e - молярный коэффициент светопоглощения;

T - коэффициент пропускания.

Для определения концентрации анализируемого вещества наиболее часто  используют следующие методы: 1) молярного  коэффициента светопоглощения; 2) градуировочного графика; 3) добавок; 4) дифференциальной фотометрии; 5) фотометрического титрования.

Метод молярного коэффициента поглощения. При работе по этому методу определяют оптическую плотность нескольких стандартных растворов А_ст, для каждого раствора рассчитывают e = А_ст / (lс_ст) и полученное значение e усредняют. Затем измеряют оптическую плотность анализируемого раствора А_х и рассчитывают концентрацию с_х по формуле

с_х = А_х /(el).

Ограничением метода является обязательное подчинение анализируемой системы закону Бугера-Ламберта-Бера, по крайней мере, в области исследуемых концентраций.

Метод градуировочного  графика. Готовят серию разведений стандартного раствора, измеряют их поглощение, строят график в координатах А_ст – С_ст. Затем измеряют поглощение анализируемого раствора и по графику определяют его концентрацию.

Метод добавок. Этот метод применяют при анализе растворов сложного состава, так как он позволяет автоматически учесть влияние «третьих» компонентов. Сущность его заключается в следующем. Сначала определяют оптическую плотность А_х анализируемого раствора, содержащего определяемый компонент неизвестной концентрации с_х, а затем в анализируемый раствор добавляют известное количество определяемого компонента (с_ст) и вновь измеряют оптическую плотность А_х+ст.

Оптическая плотность А_х анализируемого раствора равна

А_х = e l c_х,

а оптическая плотность  анализируемого раствора с добавкой стандартного

А_х+ст= e l (c_х + с_ст).

Концентрацию анализируемого раствора находим по формуле:

с_х = с_ст А_х / (А_х+ст – А_х).

Метод дифференциальной фотометрии. Если в обычной фотометрии сравнивается интенсивность света, прошедшего через анализируемый раствор неизвестной концентрации, с интенсивностью света, прошедшего через растворитель, то в дифференциальной фотометрии второй луч света проходит не через растворитель, а через окрашенный раствор известной концентрации – так называемый раствор сравнения.

Фотометрическим методом  можно определять также компоненты смеси двух и более веществ. Эти  определения основаны на свойстве аддитивности оптической плотности:

А_см = А₁ + А₂ + …+ А_n

где А_см - оптическая плотность смеси; А₁ , А₂, А_n – оптические плотности для различных компонентов смеси.

Фотометрические методы анализа применяются для контроля разнообразных производственных процессов. Эти методы могут быть применены для анализа больших и малых содержаний, но особенно ценной их особенностью является возможность определения примесей (до 10^-5...10^-6%). Методы абсорбционной спектроскопии используют в химической, металлургической, фармацевтической и других отраслях, а также в медицине и сельскохозяйственном производстве.

Промышленностью выпускаются  приборы для абсорбционной спектроскопии: колориметры, фотометры, фотоэлектроколориметры, спектрофотометры и т. д., в которых  используют различные комбинации осветителей, монохроматоров и приемников света.

Решение типовых  задач по теме «Фотометрический метод  анализа»

Задача. После растворения 0,2500 г стали раствор разбавили до 100,0 мл. В три колбы вместимостью 50,0 мл поместили по 25,00 мл этого раствора и добавили: в первую колбу стандартный раствор, содержащий 0,50 мг Ti, растворы Н₂О₂ и Н₃РО₄, во вторую – растворы Н₂О₂ и Н₃РО₄, в третью – раствор Н₃РО₄ (нулевой раствор). Растворы разбавили до метки и фотометрировали два первых раствора относительно третьего. Получили значения оптической плотности: А_х+ст = 0,650, А_х = 0,250.

Рассчитать массовую долю (%) титана в стали.

Решение. Определяем концентрацию титана, добавленного со стандартным раствором:

с_ст = 0,50 / 50,00 = 1,00 ^. 10^-2 мг/мл,

где 0,50 мг – масса добавленного титана; 50,00 мл – объем раствора.

Вычисляем концентрацию титана по формуле

с_х = с_ст А_х / (А_х+ст – А_х); с_х = 1,00·10^-2 ·0,250 / (0,650 – 0,250) = 6,25·10^-3 мг/мл.

Определяем массу титана во взятой навеске:

m = (6,25 ^. 10^{-3 .} 50,00 ^. 100,0) / 25,00 = 1,25 мг = 1,25 ^. 10 ^-3 г.

и рассчитываем его массовую долю (%):

w_Ti = ( 1,25 ^. 10^{-3 .} 100) / 0,2500 = 0,50%.

Ответ: Массовая доля титана в стали 0,50%.

 

Эмиссионный спектральный анализ и пламенная  эмиссионная спектроскопия

Эмиссионный спектральный анализ. Основные законы и формулы

Эмиссионный спектральный анализ основан на получении и  изучении спектров испускания (эмиссионных  спектров). По положению и относительной  интенсивности отдельных линий  в этих спектрах проводят качественный спектральный анализ. Сравнивая интенсивность специально выбранных спектральных линий в спектре пробы с интенсивностью тех же линий в спектрах эталонов, определяют содержание элемента, выполняя, таким образом, количественный спектральный анализ.

Качественный спектральный анализ основан на индивидуальности эмиссионных спектров каждого элемента и сводится, как правило, к определению длин волн линий в спектре и установлению принадлежности этих линий тому или иному элементу. Расшифровка спектров осуществляется либо на стилоскопе (визуально), либо, чаще всего, на спектропроекторе или микроскопе после фотографирования спектров на фотопластинку. Количественный спектральный анализ основан на том, что интенсивность спектральных линий элемента зависит от концентрации этого элемента в пробе. Зависимость интенсивности спектральной линии от концентрации имеет сложный характер. В некотором интервале концентраций при постоянстве условий возбуждения эта зависимость выражается эмпирическим уравнением Б.Б. Ломакина:

I = a cb,

где I - интенсивность спектральной линии; а - постоянная, объединяющая свойства линии (искровая, дуговая линия, узкая, широкая), условия возбуждения (скорость испарения, скорость диффузии) и другие факторы; с - концентрация элемента в пробе; b - коэффициент самопоглощения.

Наиболее широко распространенными  приборами в эмиссионном спектральном анализе являются кварцевые спектрографы ИСП различных модификаций. В  приборах для визуального спектрального  анализа - стилоскопы и стилометры. В фотоэлектрических методах используют квантометры различных модификаций.

Решение типовых  задач по теме «Эмиссионный спектральный анализ и пламенная эмиссионная  спектроскопия»

Задача. Для определения длины волны интересующей линии l_х были выбраны две линии в спектре железа с известными длинами волн: l₁ = 325,436 и l₂ = 328,026 нм. На измерительной шкале микроскопа были получены следующие отсчеты: b₁=9,12, b₂=10,48, b_x=10,33 мм. Какова длина волны искомой линии в спектре анализируемого образца?

Решение. Так как выбранные линии железа l₁ и l₂ находятся соответственно слева и справа от интересующей линии, для расчета l_х используем уравнение

l_х = l₁ + (а₁ / (а₁ + а₂))(l₂ - l₁).

Сначала находим значения расстояний а₁ и а₂ на шкале по данным отсчета:

а₁ = b_x – b₁ = 10,13 – 9,12 = 1,01 мм; а₂ = b₂ –b_x = 10,48 – 10,13 = 0,35 мм.

Подставляем соответствующие  числовые значения в уравнение и  находим значение l_х:

l_х = 325,436 + 1,01/ (1,01+0,35) (328,026 – 325,436) = 327,360 нм.

Ответ: Длина волны искомой линии в спектре равна 327,360 нм.

Задача. Определите содержание Са²⁺ в растворе (в мкг/см³), если при фотометрировании пламени этого раствора методом добавок получены следующие результаты при добавках стандарта х=10 мкг/см³.

Решение.

Строим калибровочный  график пламенно - фотометрического определения Са²⁺ таким образом, чтобы раствор без добавки приравнивался к нулевой концентрации. Отрезок на оси абсцисс, отсекаемый прямой, дает С_х = 5 мкг/см³.

Ответ: Содержание Са²⁺ в растворе равняется 5 мкг/см³.

 

 Атомно-абсорбционный анализ

 Основные законы и формулы

Физическую основу атомно-абсорбционной  спектроскопии составляет поглощение резонансной частоты атомами  в газовой фазе. Если на невозбужденные атомы направить излучение света с резонансной частотой поглощения атомов, то излучение будет поглощаться атомами, а его интенсивность уменьшится. И таким образом, если в эмиссионной спектроскопии концентрация вещества связывалась с интенсивностью излучения, которое было прямо пропорционально числу возбужденных атомов, то в атомно-абсорбционной спектроскопии аналитический сигнал (уменьшение интенсивности излучения) связан с количеством невозбужденных атомов.

Число атомов в возбужденном состоянии не превышает 1-2% от общего числа атомов определяемого элемента в пробе, поэтому аналитический сигнал в атомно-абсорбционной спектроскопии оказывается связанным с существенно большим числом атомов, чем в эмиссионной спектроскопии, и, следовательно, в меньшей степени подвержен влиянию случайных колебаний при работе атомно-абсорбционного спектрофотометра.