9. Методы анализа состава атмосферного воздуха:

Методы анализа делятся на химические, физические, физико-химические. Отнесение метода к той или иной группе зависит от того, в какой мере определение химического состава системы данным методом основано на использовании химических реакций, физических процессов или физико-химических свойств вещества.

Химические методы основаны на использовании химических реакций для определения состава системы. Так, используя реакцию, характерную для определяемого иона с образованием окрашенного комплекса, осадка, малодиссоцированного соединения, можно провести качественный и количественный химический анализ.

Физическими методами определяется свойство, непосредственно зависящее от природы атомов и их концентрации в системе, например интенсивность радиоактивного загрязнения.

Физико-химические методы основаны на зависимости физического свойства от химического состава анализируемой среды.

Физические и физико-химические методы объединяются общим названием инструментальные методы анализа, так как для их проведения обычно требуются специальные приборы и инструменты.

Методика проведения физико-химических методов в основном одинакова и сводится к следующему:

- в зависимости от анализируемой системы выбирается необходимый метод анализа;

- готовится ряд стандартных растворов (серий);

- измеряются физические свойства растворов на соответствующем приборе;

- по полученным данным строится градуировочный график в координатах состав-свойство;

- измеряется физическое свойство анализируемого образца и по графику определяется его состав.

Можно выделить три основные группы физико-химических методов: оптические, электрохимические, хроматографические.

В основе оптических методов анализа лежит связь между оптическими свойствами системы и ее составом. В эту группу входят следующие методы: колориметрический, нефелометрический, турбидиметрический, люминесцентный, поляриметрический и рефрактометрический.

Электрохимические методы анализа основываются на взаимосвязи электрохимических свойств системы с ее составом. К этой группе относятся следующие методы: кондуктометрический (низкочастотный и высокочастотный), потенциометрический, электрогравиметрический, кулонометрический и полярографический.

Хроматографические методы анализа позволяют определить глубину адсорбции различных по составу и строению веществ.

10. Методы физико-химических исследований состава атмосферного воздуха (ав):

Для проведения экологических исследований в настоящее время широко применяются физико-химические методы исследования: фотометрический анализ (колориметрия, фотоколориметрия, спектрофотометрия); нефелометрический, спектральный, потенциометрический, полярографический анализы, хроматографический и т.д. Они позволяют определять микроконцентрации вредных веществ в объектах окружающей среды: атмосферном воздухе, воздухе рабочей зоны, питьевой воде, пищевых продуктах, а также одновременно определять комплекс веществ, находящихся в одной пробе [4].

11. Фотометрический метод

Метод анализа жидких и газообразных сред, основанный на светопоглощении, называется фотометрическим. Прибор, используемый для осуществления фотометрического метода в видимой части спектра, называется фотоэлектроколориметр (ФЭК). Принцип действия прибора заключается в регистрации величины тока фотоэлемента, на который падает параллельный пучок монохроматического света, прошедшего через слой исследуемой жидкости или газа. ФЭК позволяет определить величины светопропускания и оптической плотности исследуемых сред.

Фотометрия широко применяется при проведении санитарно-химического анализа вод, для контроля за процессами очистки воды аналитическими методами и в исследовательской работе.

Фотометрический анализ отличается простотой выполнения, достаточной точностью и высокой чувствительностью. Он основан на избирательном поглощении светового потока однородными средами, пропорциональной зависимости между оптической плотностью вещества, его концентрацией и толщиной поглощающего раствора [4].

Существует определенное соотношение между цветом поглощаемого излучения и цветом анализируемого раствора (таблица 1).

Таблица 1 - Зависимость спектральной области поглощения света от цвета раствора

Спектральная область максимального поглощения света раствором, нм	Цвет светофильтра	Цвет раствора
1	2	3
400-435	Фиолетовый	Желто-красный
435-480	Синий	Желтый
480-490	Зеленовато-синий	Оранжевый

Продолжение таблицы 1

1	2	3
490-500	Сине-зеленый	Красный
500-560	Зеленый	Пурпурный
560-580	Желто-зеленый	Фиолетовый
580-595	Желтый	Синий
595-625	Оранжевый	Зеленовато-синий
625-700	Красный	Сине-зеленый

Таким образом, спектральная область с длинами волн 400-435 нм имеет фиолетовый цвет и лучше всего поглощает раствор, окрашенный в желто-зеленый цвет.

Световой поток может иметь широкий участок излучения, порядка 20-30 нм, иногда 50 нм с определенным максимумом пропускания. Такой характер излучения встречается в фотоэлектроколориметрах, где световой поток в определенном интервале длин волн выделяется с помощью светофильтров. Это полихроматический световой поток.

Световой поток может представлять собой узкий пучок света определенной длины волны. Такой световой поток называется монохроматическим. Монохроматическое излучение характерно для спектрофотометров, где монохроматизация достигается с помощью кварцевой диспергирующей призмы или дифракционной решетки, с помощью которой длина волны может регулироваться с точностью до 0,2 нм.

Спектрофотометрический анализ ( рис 12)имеет ряд преимуществ по сравнению с фотоколориметрическим. При использовании спектрометрии оптическую плотность анализируемых растворов измеряют спектрофотометром (рисунок 11) с использованием монохроматического излучения, поэтому значительно увеличивается чувствительность и точность определения. Кроме того, спектрофотометрический метод применим как для анализа одного вещества в растворе, так и для анализа многокомпонентной системы веществ, не реагирующих химически друг с другом. Спектрофотометрия позволяет работать не только с окрашенными растворами, поглощающими свет в видимой части спектра, но и с прозрачными растворами которые поглощают излучение в УФ- или ИК- областях спектра.

Основной закон светопоглощения. Если световой поток пропустить через кювету с раствором, поглощающим свет, то выходящий световой поток будет менее интенсивным, чем входящий. Ослабление светового потока связано с частичным поглощением его и частичным отражением.

Соотношение между интенсивностями падающего светового потока I₀ светового потока, прошедшего через раствор I, поглощенного I_п и отраженного I_отр можно выразить следующим образом

Интенсивность отраженной части светового потока невелика и ею можно пренебречь. Тогда, . Непосредственно можно измерить интенсивность падающего светового потока и светового потока, прошедшего через раствор. Интенсивность поглощенного светового потока непосредственному измерению не поддается. Ее принято выражать величиной I₀/I. Эта величина называется оптической плотностью и обозначается А. Существует определенная зависимость между оптической плотностью, толщиной слоя и концентрацией вещества, выражаемая законом Бугера - Ламберта - Бера:

где К - молярный коэффициент светопоглощения;

с - концентрация раствора, моль/дм³;

l - толщина слоя раствора, через который проходит световой поток, см.

Молярный коэффициент светопоглощения К зависит от длины волны, температуры растворителя и не зависит от толщины поглощающего слоя и концентрации растворенного вещества. Он отражает индивидуальные свойства вещества, для разных веществ он имеет различное значение. Величина молярного коэффициента светопоглощения является наиболее важной и объективной характеристикой чувствительности фотометрического метода. Чем выше величина коэффициента, тем чувствительнее метод.

Величина оптической плотности зависит от длины волны и концентрации раствора. Поглощение света зависит при разных длинах волн неодинаково, оно носит избирательный характер. Если измерить максимальное значение оптической плотности какого-либо раствора при разных длинах волн и выразить это графически, то можно получить спектр поглощения данного вещества (рисунок 13): при определенной длине волны (а); на определенном участке длин волны (6); при двух значениях длин волны (в). Спектр поглощения является индивидуальной характеристикой данного вещества, он используется для идентификации веществ. Если получить спектры поглощения растворов исследуемого вещества, имеющих различную концентрацию, то кривые спектров поглощения будут иметь одну и ту же форму, положение максимума поглощения сохранится на всех спектрах при одной и той же длине волны.

Как уже было сказано, величина оптической плотности зависит от концентрации раствора. Чем больше концентрация раствора, тем больше величина оптической плотности.

Построение калибровочного графика

Предварительно необходимо подготовить посуду - мерные колбы, пробирки, пипетки, реактивы и растворы.

Для построения калибровочного графика готовят серию стандартных растворов, охватывающих диапазон измеряемых концентраций исследуемого вещества согласно методике.

Калибровочный график строят по 5-6 сериям шкал; количество концентраций в каждой шкале должно быть не мене 5. Резко отличающиеся значения оптической плотности не учитывают. Из остальных рассчитывают среднее арифметическое значение для каждой концентрации и строят график зависимости оптической плотности от концентрации вещества (рисунок 14).

Примерный размер графика 20-25x30 см; прямая должна проходить через начало координат под углом приблизительно 45°. В идеальном случае все точки располагаются на прямой, обычно часть точек располагается на прямой, часть выше и ниже ее, точки как бы чередуются.

На графике должны быть указаны условия фотометрирования: номер светофильтра или длины волны (нм); размер кюветы (мм); время фотометрирования. Кроме того, должна быть указана дата построения калибровочного графика. Калибровочный график необходимо периодически проверять по 2-3 концентрациям.

Наиболее распространенными приборами являются фотоэлектроколориметр ФЭК-56М, колориметр фотоэлектрический однолучевой КФО, колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2 (рисунок 15), КФК-2МП с микропроцессорной системой «Электроника» и спектрофотометр СФ-46 (таблица 2).

Таблица 2 - Технические данные фотометрических приборов

Марка прибора	Спектральный диапазон, нм	Число светофильтров
ФЭК-56М	315-630	8
КФО	400-700	5
КФК-2 (КФК-2МП)	315-980	И
СФ-46	190-1100	-

Надежность результатов измерений при работе на фотоэлектроколориметрах и спектрофотометрах обеспечивается, правильной установкой и эксплуатацией приборов. Поэтому приступать к измерениям можно только после тщательного ознакомления с описанием устройства прибора и правил его эксплуатации.

Методика работы на колориметре фотоэлектрическом концентрационном КФК-2 :

Подготовка к работе. Прибор включают в сеть за 15 мин до начала измерений. Во время прогрева кюветное отделение должно быть открыто (при этом шторка перед фотоприемниками перекрывает световой пучок). Затем устанавливают необходимый цветной светофильтр и устанавливают ручку «чувствительность» в положение «1» (при измерении со светофильтрами 315, 364, 400, 440, 490, 540 нм, обозначенными на лицевой панели прибора цифрами черного цвета, ручку «чувствительность» устанавливают в положение «1», «2», «3», обозначенных на лицевой панели также цифрами черного цвета). При измерении со светофильтрами 590, 670, 750, 870, 980 нм, обозначенными на лицевой панели прибора цифрами красного цвета, ручку «чувствительность» устанавливают в одно из положений «1», «2», «3», обозначенных на лицевой стороне панели также цифрами красного цвета. Ручку «установка 100 грубо» переводят в крайнее левое положение. Перед измерениями и при переключении фотоприемников необходимо проверить установку стрелки прибора на «О» по шкале коэффициентов пропускания «Т» при открытом кюветном отделении. При перемещении стрелки от нулевого положения ее подводят к нулю с помощью потенциометра «нуль», выведенного под шлиц.

Определение оптической плотности. В кюветное отделение устанавливают кюветы с растворителем (или контрольным раствором) и исследуемыми растворами. Сначала световой пучок пропускают через кювету с растворителем (или контрольным раствором). Закрывают крышку кюветного отделения. Ручками «чувствительность» и «установка 100 грубо» и «точно» устанавливают отсчет 100 по шкале прибора. Затем поворотом ручки заменяют кювету с растворителем (или контрольным раствором) на кювету с исследуемым раствором. Снимают показания по шкале прибора в единицах оптической плотности. Измерение проводят 3-5 раз, и окончательное значение оптической плотности определяют как среднее арифметическое.

Методика работы на спектрофотометре СФ-56

Подготовка к работе. Прибор (рис.16) включается в сеть за 30 мин до начала измерений, нажав на кнопку «сеть» и клавишу «пуск». Устанавливают требуемую длину волны, фотоэлемент и источник излучения, соответствующие выбранному спектральному диапазону измерений. Перед каждым новым измерением устанавливают ширину щели 0,15 им во избежание засвечивания фотоэлементов.

Определение оптической плотности. Рукоятка переключения шторки светового потока должна быть закрыта. Устанавливают в кюветное отделение держатель кювет с кюветами, заполненными следующим образом: первая – растворителем или контрольным раствором; вторая, третья, четвертая – исследуемыми растворами. Нажимают клавишу «Ш(0)», и устанавливают рукояткой «нуль» на фотометрическом табло числовое значение в диапазоне от 0,05 до 0,1. Открывают шторку светового потока и на пути его устанавливают кювету с растворителем или контрольным раствором. Нажимают клавишу «К(1)», показание табло должно быть в пределах от 0,5 до 5,0. При показании меньше 0,5 следует увеличить ширину щели, при показании больше 5,0 следует уменьшить ширину щели. Нажимают клавишу «Д(5)», при этом на фотометрическом табло должно появиться показание 0,000±0,001. Устанавливают поочередно на пути светового потока исследуемые растворы, перемещая каретку рукояткой. Нажимают клавишу «Д(5)» при появлении показания, отличающегося от предыдущего не более чем на 0,1, снимают показание с фотометрического табло.