Схеми приладів для фізико-хімічного аналізу та принцип їх роботи Спектральний аналіз.

1. Блок-схема полум’яного фотометру та принцип роботи на ньому.

2. Блок-схема атомно-адсорбційного спектрофотометру та принцип роботи на ньому.

3. Основні вузли приладів у фотометричному аналізі.

4. Оптична схема фотоколориметра КФК-2 та принцип його роботи.

5. Оптична схема абсорбціометра-нефелометру ЛМФ-69 та принцип його роботи.

6. Оптична схема спектрофотометру СФ-46 та принцип роботи.

7. Схема та принцип роботи ІЧ-спектрометру.

Хроматографічний аналіз.

1. Загальні схеми сучасних хроматографів (основні вузли приладів).

2. Схема газового хроматографу та принцип його роботи.

3. Основні вузли приладів рідинної хроматографії.

Електрохімічний аналіз.

1. Схема йономеру (рН-метру) МИ-160 або установки для потенціометричних вимірів та принцип роботи.

2. Схема полярографічної установки та принцип її роботи.

3. Схема установки для електролізу.

І. Методи спектрального аналізу та його проведення

ДОСЛІД 1. Відбір проб вод. Проби води відбирають у склянку з поліетилену чи скла. Посуд повинен бути ретельно вимитий та висушений. Перед відбором проб посуд 2-3 рази промити водою, яку беруть для досліджень. Для достовірності результатів краще відібрати одночасно по 2 проби. Посудину заповнити водою вщерть, щоб не залишалося повітря і закрити корком або кришкою. Записати місце забору, час, прізвище особи, яка відбирала проби.

ДОСЛІД 2. Підготовка проб води та визначення вмісту солей важких металів у воді за допомогою атомно-адсорбційного спектрофотометру.

Упарювання води. В хімічний стакан циліндром відібрати 25 мл досліджуваної води і помістити на піщану баню. Провести упарювання води при 100°С. Слідкувати, щоб вода кипіла повільно (не допускайте сильного кипіння!). Упарювання води провести з 25 до 5 мл або до суха. По закінченні упарювання в мірний стакан додати 2мл концентрованої HNO₃ та 2 мл H₂O₂. Пероксид водню доливати по краплинах!!! Суміш знову поставити на піщану баню і прокип’ятити протягом 5-10 хвилин. Суміш, що залишилася після упарювання, злити в мірну пробірку. Промити декілька разів мірний стакан невеликими порціями (приблизно по 1мл) дистильованої води, які теж злити в пробірку. Останній мілілітр до мітки довести чистою дистильованою водою. Проби перемішати шляхом перевертання, закритих пробірок. У зв'язку з тим, що вміст деяких мікроелементів (свинцю, кадмію) у природній питній воді знаходиться за межами чутливості прямого атомно-абсорбційного визначення необхідно провести додаткове концентрування. Концентрування проб провести так: в упарювальну чашку налити 10г приготовленої вище зазначеним способом проби і випарити її на піщаній бані до 1мл. При необхідності провести фільтрування проб перед атомно-абсорбційним аналізом.

ДОСЛІД 3. Турбидиметричне визначення свинцю у стічних водах.

Визначення засноване на утворенні суспензії хромату свинцю й наступній оцінці інтенсивності помутніння або візуально, або за допомогою фотоелектроколориметра.

Приготування суспензій стандартних розчинів хромату свинцю й вимір оптичної щільності. В 5 градуйованих пробірок місткістю 10 мл поміщають певний об’єм робочого розчину свинцю з вмістом свинцю 0,1 мг/мл Рb: в першу пробірку – 1мл, в другу – 2 мл, в третю – 3 мл, в четверту – 4 мл та в п’яту – 5 мл. Потім доводять об’єм розчинів до 9 мл водою. У шостій пробірці готовлять холосту пробу, поміщаючи в неї 9 мл води замість розчину свинцю. Потім у кожну із шести пробірок додають по 1 мл буферного розчину й по 3 краплі розчину К₂Сr₂О₇. Закривають пробірки пробками й перемішують розчини, дотримуючись однакових прийомів перемішування, залишають розчини в спокої на 10 хв. Вимірюють по черзі оптичну щільність всіх розчинів при 540 нм, використовуючи кювету з товщиною шару 1 см. Вимір проводять щодо холостої проби. Результати вимірювань заносять до таблиці та за отриманими даними будують градуювальний графік у координатах оптична щільність - маса Рb.

Номер стандартного розчину	Об’єм стандартного розчину, мл	Вміст свинцю, m=T∙V, мг	Оптична густина (А)
1	1,0
2	2,0
3	3,0
4	4,0
5	5,0
досліджуваний розчин	5,0

Аналіз досліджуваного розчину. Досліджуваний розчин об’ємом 5 мл поміщають у пробірку доводять об’єм розчину водою до 9 мл, доливають 1 мл буферного розчину й 3 краплі розчину К₂Сr₂О₇. Закривають пробірку, перемішують і через 10 хв вимірюють оптичну щільність отриманої суспензії щодо розчину холостої проби (λ = 540 нм, l = 1 см). За допомогою градуювального графіка знаходять масу свинцю у взятій на аналіз пробі.

ДОСЛІД 4. Нефелометричне визначення сульфат-іонів у воді.

Сульфат-іони осаджують у вигляді сульфату барію в хлороводородному середовище в присутності желатину як стабілізатора суспензії. Вимірюють інтенсивність або розсіяного світла (нефелометричний варіант), або світла, що пройшло через мутне середовище (турбидиметричний варіант).

Приготування суспензії BaSO₄ і побудова градуювального графіка. У мірну колбу місткістю 100 мл піпеткою поміщають 20 мл 0,0025М розчину сульфатної кислоти й доводять до мітки водою (розчин 1). Потім у мірні колби місткістю 25 мл вносять по 1 мл розчину ВаCl₂, розбавляють небагато водою, додають по 1 мл розчину желатину та вводять при перемішуванні точно відміряні об’єми розчину 1: 5 мл; 4 мл; 3мл; 2 мл та 1 мл (кожний з розчинів готовлять не раніше чим за 5 хв до початку вимірів). Вміст кожної колби доводять до мітки водою, перемішують, переносять у кювету приладу (l=5см) і рівно через 5 хв після приготування вимірюють оптичну щільність із використанням зеленого світлофільтра. У нефелометричному методі виміру починають із розчину, що має найбільш високу концентрацію H₂SO₄. За отриманим даними будують градуювальний графік у координатах оптична щільність-концентрація сульфат-іонів (або А_каж-lgС(SO₄^2-) для нефелометричного варіанта.

Номер стандартного розчину	Об’єм стандартного розчину, мл	Вміст SO42-, г	Оптична густина (А)
1	1,0
2	2,0
3	3,0
4	4,0
5	5,0
досліджуваний розчин	5,0

Аналіз досліджуваного розчину. Відбирають піпеткою 5 мл досліджуваного розчину в мірну колбу місткістю 25 мл, куди вже додані ВаСl₂ і желатин у такій же кількості, як і при побудові градуювального графіка. Доводять до мітки водою, і рівно через 5 хв після приготування вимірюють оптичну щільність. За графіком знаходять концентрацію сульфат-іонів у досліджуваному розчині.

ДОСЛІД 5. Турбидиметричне визначення кальцію.

Визначення засноване на осадженні кальцію у вигляді оксалату й вимірі інтенсивності світла, що пройшло через розчин, який містить суспензію СаС₂О₄. Присутність етанолу підвищує чутливість методу. Визначення виконують методом градуювального графіка.

Побудова градуювального графіка. У п'ять мірних колб місткістю 25мл доливають піпеткою по 5 мл розчину оксалату амонію, піпеткою додають 1 мл, 2 мл, 3 мл, 4 мл та 4 мл (відповідно до першої колби – 1 мл, до другої – 2 мл і т.д) стандартного розчину солі кальцію з титром по кальцію Т_Са = 1∙10^-4г/мл і доводять вміст колб до мітки водою. (Розчини рекомендується готувати з інтервалом в 5 хв. Для підвищення чутливості визначення можна додати в кожну колбу по 1мл етилового спирту.) Розчини перемішують, по черзі наливають у кювету оптичного приладу (l=3см) і через 5 хв після приготування вимірюють оптичну щільність щодо води при зеленому світлофільтрі. Результати вимірювань заносять до таблиці та за отриманими даними будують градуювальний графік у координатах оптична щільність - вміст кальцію.

Номер стандартного розчину	Об’єм стандартного розчину, мл	Вміст кальцію, m=T∙V, г	Оптична густина (А)
1	1,0
2	2,0
3	3,0
4	4,0
5	5,0
досліджуваний розчин	5,0

Аналіз досліджуваного розчину. У мірну колбу на 25 мл піпеткою переносять 5 мл досліджуваного розчину, додають 5 мл розчину оксалату амонію, 1 мл етилового спирту (якщо його додавали при побудові градуювального графіка) і доводять розчин до мітки водою. Через 5 хв після приготування вимірюють оптичну щільність і за графіком знаходять концентрацію кальцію в досліджуваному розчині. Розраховують масу кальцію в пробі.

ДОСЛІД 6. Фотоколориметричне визначення нитрит-іонів у воді.

Для визначення нітритів у водах використовується колориметричний метод із сульфаніловою кислотою й альфа-нафтил-аміном. Цей метод заснований на здатності первинних ароматичних амінів у присутності азотистої кислоти давати інтенсивно забарвленні діазосполуки. Отримане рожеве забарвлення порівнюється з забарвленням стандартного розчину з відомим вмістом нітрит-іонів. Метод використовують при вмісті у воді 0-0,3 мг нітритів в 1 л.

Висока чутливість методу визначення NO₂^- вимагає дотримання особливої обережності для того, щоб уникнути занесення NO₂^- зовні. Необхідно стежити за тим, щоб застосовувані реактиви й дистильована вода не були забруднені нітритами, і ретельно охороняти склянки з водою й реактивами від забруднення, тому що в повітрі лабораторії нерідко присутні сліди оксидів Нітрогену.

Визначенню заважають зважені речовини, мутність води, а також сильні окислювачі й відновники. Звичайно мутність видаляють фільтруванням або коагулюванням гідроксидом алюмінію. До 100 мл проби додають 0,5 мл активованого вугілля, 1 мл 12,5% сульфату алюмінію-калію, розчин аміаку до одержання рН-5,8. Після збовтування дають осісти осаду до повного посвітління проби й фільтрують через сухий щільний фільтр ("синя стрічка"). Вплив окислювачів і відновників (тривалентне залізо, двовалентна ртуть, срібло, вісмут, тривалентна сурма, свинець, тривалентне золото, хлорплатинати й метаванадати) у сильно забруднених водах усувається відповідним розведенням дистильованою водою.

Внаслідок нестійкості нітрит-іонів в розчині визначення їх вмісту треба проводити як можна швидше, але не пізніше 2-3 діб після відбору проб води.

Попередні вказівки. Попередня характеристика вмісту нітрит-іонів проводиться візуально за якісною реакцією. Для цього в пробірку наливають 10 мл води, що аналізується та додають 1 мл реактиву Грісса. Нагрівають суміш на водяній бані при температурі 70°С протягом 10 хвилин. За даними таблиці 6.1 визначають приблизний вміст у воді нітритів.

Таблиця 6.1. Визначення вмісту нітрит-іонів

Забарвлення при розгляданні		Вміст нітритів, мг NO2-/л
збоку	зверху
Немає	Немає	0,0003
Ледь помітне рожеве	Помітне світло-рожеве	0,0006
Дуже світле рожеве	Світло-рожеве	0,003
Блідо-рожеве	Світло-рожеве	0,015
Світло-рожеве	Рожеве	0,030
Рожеве	Яскраво - рожеве	0,060
Яскраво-рожеве	Червоне	0,150
Червоне	Яскраво-червоне	0,300

При дуже малому вмісті NO₂^-, коли забарвлення в досліджуваній воді не з'являються протягом 30 хв, пробу води й стандарт варто підігріти в однакових умовах до 70°С и в випадку появи забарвлення остудити й фотометрувати тільки із цим стандартом.

Хід визначення. У колбу відміряють 100 мл досліджуваної води. Піпеткою приливають 5 мл реактиву Грісса та перемішують. Забарвлення з`являється через 40 хвилин та зберігається протягом трьох годин. Отриманий розчин фотометрують у кюветі товщиною 5см з зеленим світофільтром (λ=530 нм). Щоб внести у результати поправку на реактиви, одночасно роблять холостий дослід: 100 мл води + 5 мл реактиву Грісса. Оптичну щільність холостого досліду вичитають з оптичної щільності проби у воді. Вміст нітритів у пробі (в мг/л) знаходять за калібрувальною кривою.

Побудова калібрувальної кривої. В залежності від вмісту нітритів у воді для побудови калібрувальної кривої користуються «великою» або «малою» шкалою та відповідно 1 або 2 стандартам. У 7 мірних колб на 100 мл приливають визначену кількість стандартного розчину (табл. 6.2 та 6.3), додають по 5 мл реактиву Грісса, доводять дистильованою водою до мітки та фотометрують. Оптичну щільність холостого досліду вичитають з оптичної щільності стандартів. Калібрувальну криву будують в координатах: по осі абсцис – концентрація стандартного розчина в мг N/л, по осі ординат – оптична щільність.

Таблиця 6.2.Шкала 0-0,1 мг N/л, 1 стандарт 5 мг N/л

Об’єм стандарту в мл	0	0,4	0,8	1,2	1,6	2,0	2,4
Вміст N, мг/л	0	0,02	0,04	0,06	0,08	0,1	0,12

Таблиця 6.3.Шкала 0-0,015 мг N/л, 2стандарт 0,1 мг N/л

Об’єм стандарту в мл	0	2,0	3,0	5,0	10,0	15,0	20
Вміст N, мг/л	0	0,002	0,003	0,005	0,010	0,015	0,020

ДОСЛІД 7. Фотоколориметричне визначення іонів амонію та амоніаку.

Для визначення аміаку в питних і поверхневих водах застосовують колориметричний метод, заснований на здатності їх утворювати з лужним розчином йодистої ртуті забарвлені в жовтий колір сполуки йодистого меркурамонію.

2NH₃ = NH₂Hg₂I₃ + 4KI + NH₄I

Йодистий меркурамоній, що виділився у вигляді суспензії залежно від кількості NH₄⁺ надає розчину забарвлення від жовтого до червоно-бурого кольору. При дуже великому вмісті випадає буруватий осад. Цим методом можна визначати присутність сотих часток мг NH₄⁺/л. При цьому методі визначається не тільки іон амонію, але й аміак, що входить у деякі білкові сполуки, що перебувають у воді. Метод має високу чутливість (0,002 мг N/л) і дозволяє робити визначення з помилкою 4-5%. Результати визначень виражають у мг N/л.

При значному вмісті (понад 3,5 мг N/л) забарвлення настільки інтенсивне, що фотометрування ускладнюється. У цьому випадку аналізована вода повинна бути попередньо розведена безаміачною дистильованою водою. Під час визначення NH₄⁺ необхідно бути обережними, щоб не ввести його в розчин ззовні, тому що в повітрі лабораторії звичайно присутні сліди NH₃.

Визначенню заважають аміни, хлораміни, альдегіди, спирти й деякі інші органічні сполуки, що реагують із реактивом Несслера. В їхній присутності застосовують метод визначення аміаку з відгоном. Визначенню також заважають компоненти твердості води, залізо, сульфіди, іони хлору, мутність води. Вплив твердості усувають додаванням розчину сегнетової солі або комплексону ІІІ. Велику кількість заліза, сульфіди й каламуть видаляються посвітлінням води цинковою сіллю (з розрахунку 1 мл 10% розчину ZnSO₄∙7H₂O на 100 мл проби води). Хлор при концентрації 0,01 мг/л і більше усувають додаванням розчину тіосульфату або арсеніту натрію (3,5 г Na₂S₂O₃∙5H₂O або 1,0 г Na₃AsО₃ розчиняють у бідистильованій воді й доводять до 1 л). Для видалення 0,5 мг хлору досить додати 1 мл одного із зазначених розчинів.

Попередні вказівки. Щоб довідатися приблизний вміст NH₄⁺ у досліджуваній воді в пробірку наливають 10 мл досліджуваної води, 0,3 мл 50% розчину сегнетової солі й 0,2 мл реактиву Неслера. Через 10 хвилин, а для вод з вмістом менше 0,15 мг N/л через 15-20 хвилин приблизний вміст NH₄⁺ визначається на підставі швидкості й інтенсивності появи забарвлення (табл. 7.1).

Таблиця 7.1. Визначення вмісту іонів амонію

Забарвлення при розгляданні пробірки		Вміст N мг/л
збоку	зверху вниз
Немає	Немає	0,05
Немає	Дуже блідо-жовте	0,1
Дуже блідо-жовте	Блідо-жовте	0,25
Блідо-жовте	Жовтувате	0,5
Світло-жовте	Жовте	2,5
Жовте	Яскраво буро-жовте	5,0
Мутне яскраво-рожеве	Буре, розчин мутний	10,0

Хід визначення. 100 мл досліджуваної води поміщають у колбу об’ємом 150-200мл із притертою пробкою, доливають 2 мл реактива Несслера, 2 мл сегнетової солі, потім усе перемішують. Забарвлення розвивається через 10 хвилин і стійке протягом 1 години. Через 10 хвилин приступають до фотометрування у кюветах товщиною 2 або 5 см, залежно від концентрації іонів амонію, застосовуючи синій світлофільтр. Одночасно із серією визначень роблять холостий дослід (100 мл дистильованої води + 2 мл сегнетової солі + 2 мл реактива Несслера). Оптичну щільність холостого досліду віднімають із оптичної щільності досліджуваної води. Вміст аміаку в мг N/л знаходять за калібрувальною кривою.

Побудова калібрувальної кривої. Залежно від вмісту NH₄⁺ у досліджуваній воді для побудови калібрувальної кривої користуються "малою" або "великою" шкалою (табл. 7.2 та 7.3). Частіше застосовують малу шкалу. В 6 мірних колб на 100 мл приливають визначену кількість стандартного розчину зазначених у табл. 7.2. і 7.3., додають2 мл реактива Несслера, 2 мл сегнетової солі, потім доводять дистильованою водою до мітки та перемішують. Через 10 хвилин приступають до фотометрування у кюветах з відповідною товщиною. Оптичну щільність холостого досліду вичитають з оптичної щільності стандартів. Будують калібрувальну криву, відкладаючи на осі абсцис – концентрацію стандартного розчина в мг N/л, а на осі ординат – оптичну щільність.

Таблиця 7.2. Шкала 0-5 мг/л, стандартний розчин 5 мг N/л, кювета на 2 см

Об’єм стандарту в мл	0	20	40	60	80	100
Вміст N, мг/л	0	1	2	3	4	5

Таблиця 7.3.Шкала 0-0,1 мг/л, стандартний розчин 0,1 мг N/л, кювета на 5 см

Об’єм стандарту в мл	0	0,2	0,4	0,7	1,0	2,0
Вміст N, мг/л	0	0,010	0,020	0,035	0,050	0,100

ДОСЛІД 8. Фотоколориметричне визначення феруму у природній воді.

Ферум в природній воді може бути в двох- і тривалентній формі. При визначенні загального вмісту феруму пробу спочатку обробляють окисником для переведення феруму (ІІ) у ферум (III). Для окиснення феруму можна застосовувати персульфат амонію або перманганат калію. Краще користуватися перманганатом калію, розведений розчин якого додається до проби води до появи світло-рожевого забарвлення. Цей невеликий надлишок перманганату калію не заважає визначенню феруму.

Визначення вмісту феруму проводять за допомогою сульфосаліцилової кислоти. Саліцилова кислота С₆Н₄(ОН)СООН взаємодіє з іонами Fе(ІІІ) з утворенням забарвлених комплексів. Склад комплексу залежить від рН розчину. Так, при рН від 1,8 до 2,5 утворюється катіонний комплекс FeSal⁺, (де Sal^2- - аніон саліцилової кислоти Н₂Sаl), забарвлений у фіолетовий колір, λ_max= 510 нм, ε = 1,8∙10⁴. При рН 4–8 утворюється комплекс червоного кольору FeSal₂^-, а при рН 8–11,5 - трисаліцилат FeSal₃^3- жовтого кольору. При рН > 11,5 саліцилат феруму розкладається, утворюючи гідроксид феруму. Аналогічно до саліцилової кислоти з іонами феруму (III) реагує сульфосаліцілова кислота С₆Н₃(ОН)(SО₃Н)СООН (ССК). Ця речовина краще розчиняється у воді, ніж саліцилова кислота, тому для визначення феруму її застосовувати зручніше. Стійкість сульфосаліцилатних комплексів феруму збільшується зі збільшенням числа лігандів. Ці комплекси значно стійкіші за тіоціанатні, тому за допомогою ССК можна визначати ферум у присутності фтори дів та ацетатів.

Побудова градуювального графіка. У 5 мірних колб місткістю 25 мл вносять по 5 мл води, стандартний розчин солі феруму від 0,05 до 0,25 мг (вміст феруму в кожному розчині збільшується на 0,05мг), додають по 2,5 мл 10% розчину ССК та аміаку. Об'єм доводять дистильованою водою до мітки та добре перемішують. Інтенсивність забарвлення вимірюють при заздалегідь підібраних довжині хвилі та товщині шару розчину. Результати дослідів заносять до таблиці і за отриманими даними будують градуювальний графік в координатах оптична густина - вміст феруму. В якості розчину порівняння взяти воду.

Номер стандартного розчину	Об’єм стандартного розчину, мл	Вміст феруму, мг/50мл; m=T∙V, г	Оптична густина (А)
1		0,05
2		0,10
3		0,15
4		0,20
5		0,25
досліджуваний розчин	15,0

Аналіз досліджуваного розчину. До 15 см³ досліджуваного розчину в мірній колбі місткістю 25см³ додають всі реагенти, як при побудові градуювального графіка і проводять ті ж самі операції. Вміст феруму знаходять за градуювальним графіком.

ДОСЛІД 9. Фотоколориметричне визначення купруму.

Визначення купруму (II) у вигляді аміакату ґрунтується на утворенні аміакату купруму і вимірюванні інтенсивності його синього забарвлення:

Cu²⁺ + 4NH₄ОН = [Сu(NH₃)₄]²⁺ + 4Н₂О

Інтенсивність забарвлення залежить від надлишку аміаку. Чутливість методу не дуже висока і становить 0,2 мг купруму в 50 мл розчину. Максимум світлопоглинання комплексу становить 550–570 нм.

Речовини, що заважають аналізу. Визначенню купруму заважають Nі²⁺ і Со²⁺, що утворюють забарвлені сполуки, та катіони важких металів, які дають з аміаком нерозчинні гідроксиди. Аміачний комплекс купруму при підкисленні руйнується. При цьому синє забарвлення розчину переходить у блакитне (колір катіону Сu²⁺).

Побудова градуювального графіка. У мірні колби місткістю 25 мл вносять стандартний розчин солі купруму: 0,5; 1,25; 2,0; 2,75; 3,5 мл відповідно. Потім у кожну колбу додають по 2,5 мл аміаку (концентрований водний розчин), доводять дистильованою водою до мітки, перемішують і фотометрують. Вимірювання оптичної густини проводять при заздалегідь підібраних довжині хвилі і товщині шару розчину. Як розчин порівняння беруть воду. Результати вимірювань заносять до таблиці і за отриманими даними будують графік в координатах оптична густина - вміст купруму.

Номер стандартного розчину	Об’єм стандартного розчину, мл	Вміст купруму, мг/50мл; m=T∙V, г	Оптична густина (А)
1	0,5
2	1,25
3	2,0
4	2,75
5	3,5
досліджуваний розчин	13,0

Аналіз досліджуваного розчину. В мірну колбу місткістю 25 мл вносять 13 мл досліджуваного розчину, додають ті ж самі кількості реагентів і проводять ті ж самі операції, що вказані для побудови градуювального графіка. Кількість купруму знаходять за градуювальним графіком.