6615

3

И.М. Афанасьева. Физико-химические методы анализа. Часть I [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. / И.М. Афанасьева; Нижегор. гос.

архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 96 с; ил. 1 электрон. опт.

диск (CD-RW)

Методическое пособие содержит тематику лекций, их краткое содержание,

лабораторные работы, а также вопросы и задания для самостоятельной работы по основным разделам дисциплины «Физико-химические методы анализа». Указывается необходимая литература и источники, разъясняется последовательность их изучения.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным и семинарским занятиям по направлению подготовки 05.03.06 Экология и природопользование, профиль Природопользование.

5

Введение

Дисциплина «Физико-химические методы анализа» предназначена для формирования знаний и умений, необходимых в производственно-

технологической, научно - исследовательской, и проектно-

конструкторской деятельности.

В соответствии с назначением основной целью дисциплины является приобретение соответствующих компетенций бакалавров в ходе освоения учебной дисциплины.

Исходя из цели, в процессе изучения дисциплины решаются следующие задачи:

-освоение методов и средств химических исследований веществ и их превращений;

-формирование навыков выполнения химических лабораторных операций;

-освоение методами количественного определения веществ и оценки погрешностей при проведении эксперимента.

6

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Физико-химические методы анализа основаны на проведении реакций, конец которых определяется с помощью приборов, поэтому эти методы называются также инструментальными. Известно несколько десятков физико-химических методов анализа.

Важнейшими физико-химическими методами анализа являются:

1)хроматографические методы;

2)спектральные и другие оптические методы;

3)электрохимические методы.

Хроматография – это метод разделения сложных смесей,

основанный на распределении веществ между двумя фазами, одна из которых неподвижна, а другая – поток, движущийся через неподвижную фазу. Хроматография основана на многократном повторении актов сорбции и десорбции веществ при их перемещении в потоке подвижной фазы вдоль неподвижного сорбента. Для хроматографического разделения смесей веществ может быть использован любой механизм сорбции.

В группу хроматографических методов анализа входят методы газовой и газожидкостной хроматографии, жидкостной распределительной хроматографии и др.

Наиболее обширной является группа спектральных и других

оптических методов анализа, включающая методы эмиссионной спектроскопии, абсорбционной спектроскопии, люминесценции,

рефрактометрии и др.

Оптические методы используют связь между анализируемым веществом и его оптическими свойствами.

7

Электрохимические методы анализа основаны на существовании зависимости между составом анализируемого вещества и его электрохимическими свойствами. Электрохимические методы анализа,

основанные на измерении электрической проводимости, потенциалов и других свойств, включают методы кондуктометрии, потенциометрии,

полярографии, кулонометрии и др.

Кроме перечисленных физико-химических методов существуют и

другие методы инструментального анализа.

Масс-спектрометрические методы основаны на определении масс ионизированных атомов, молекул после их разделения в результате комбинированного действия электрических и магнитных полей. Масс-

спектрометр разделяет с помощью электрических и магнитных полей пучки заряженных частиц (обычно ионов) с разным отношением массы частицы т к ее заряду е.

Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) основан на явлении резонансного поглощения некоторыми атомами, молекулами или радикалами энергии переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) использует явление резонансного поглощения энергии переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона веществом, находящимся в постоянном магнитном поле, обусловленное магнетизмом атомных ядер. ЯМР основан на существовании у атомного ядра магнитного момента. ЯМР по своей природе подобен ЭПР.

Радиометрические методы основаны на использовании радиоактивных изотопов и измерении радиоактивного излучения.

8

Достоинства и недостатки инструментальных методов исследований

Инструментальные методы позволяют проводить анализ без разрушения исследуемого образца, частично или полностью автоматизировать процесс анализа, а так же проводить его дистанционно.

Физико-химические методы дают возможность определять малое содержание компонентов в анализируемых объектах (предел обнаружения до 10-5-10-10% ,в зависимости от метода анализа). Химические методы анализа (титриметрический и гравиметрический) не позволяют обнаружить такое количество определяемого компонента. Их предел обнаружения – 10 -3%.

Современные аналитические приборы укомплектованы программным обеспечением, совместимым с ПК, что в значительной степени облегчает обработку полученных результатов и решения других аналитических вопросов.

Ряд методов характеризуется высокой экспрессностью, что позволят корректировать технологический процесс.

Для применения физико-химических методов часто требуются дорогостоящие приборы, эталоны и стандартные растворы, кроме того погрешность данных анализов составляет от 2 до 5 %, что выше погрешности классических химических методов.

Основные приемы, используемые в физико-химических методах анализа - это метод прямых измерений и метод титрования (косвенный метод).

В прямых методах используется зависимость физико-химического свойства вещества, называемого аналитическим сигналом, от природы анализируемого вещества и его концентрации.

Методы титрования. В этих методах анализируемый раствор титруется раствором известной концентрации (титрантом). В ходе

9

титрования изменяется интенсивность аналитического сигнала I и строится кривая титрования в координатах I - V, где V - объем добавленного титранта, мл.

Точка эквивалентности находится на кривой титрования.

Дальнейшие расчеты аналогичны тем, которые проводятся в классическом титриметрическом анализе.

Вопросы для самоконтроля

1)Какие методы анализа называют инструментальными и почему?

2)Какие основные группы физико-химических методов анализа Вы знаете?

3)Что такое аналитический сигнал?

4)Что такое эталон?

5)Какие методы прямого измерения Вы знаете? Дайте им краткую характеристику.

10

Глава 1. Хроматографические методы анализа

Хроматография - процесс, основанный на многократном повторении актов сорбции и десорбции вещества при перемещении его в потоке подвижной фазы вдоль неподвижного сорбента. Разделение сложных смесей хроматографическим способом основано на различной сорбируемости компонентов смеси. В процессе хроматографирования так называемая подвижная фаза (элюент), содержащая анализируемую пробу,

перемещается через неподвижную фазу. Обычно неподвижная фаза представляет собой вещество с развитой поверхностью, а подвижная -

поток газа или жидкости, фильтрующейся через слой сорбента. При этом происходит многократное повторение актов сорбции - десорбции, что является характерной особенностью хроматографического процесса и обуславливает эффективность хроматографического разделения.

Качественный хроматографический анализ, т.е. индетификация вещества по его хроматограмме, может быть выполнен сравнением хроматограических характеристик, чаще всего удерживаемого объема

(т.е. объема подвижной фазы, пропущенной через колонку от начала ввода смеси до появления данного компонента на выходе из колонки),

найденных при определенных условиях для компонентов анализируемой смеси и для эталона.

Количественный хроматографический анализ проводят обычно на хроматографе. Метод основан на измерении различных параметров хроматографического пика, зависящих от концентрации хроматографируемых веществ - высоты, ширины, площади и удерживаемого объема или произведения удерживаемого объема на высоту пика.

В количественной газовой хроматографии применяют методы абсолютной градуировки и внутренней нормализации, или нормировки.

Используется также метод внутреннего стандарта. При абсолютной