Метрология, стандартизация и сертификация. Лабораторный практикум-1

По итогам лабораторной работы делают выводы о качестве анализируемой воды, а также оценивают возможность употребления воды в пищу или в хозяйственных целях.

Контрольные вопросы

1 Какие параметры определяют качество воды?

2 Какие типы шкал измерений вы знаете?

3 Какие шкалы используют для определения качества воды?

4 Какие шкалы относят к шкалам наименований? Приведите примеры.

5 Какие шкалы относят к шкалам порядка? Приведите примеры. 6 Какие методы используют для определения показателей

качества воды?

11

Лабораторная работа 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОЦЕНКА ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ

(2 часа)

1 Цель работы

Ознакомление с различными видами шкал измерений.

2 Задачи работы

Определение жесткости воды.

Применение шкалы порядка для оценки жесткости воды. Применение пропорциональной шкалы отношений для оценки

жесткости воды.

3 Теоретическое введение

Жесткостью воды называется совокупность свойств, обусловленных концентрацией в ней щелочноземельных элементов, преимущественно ионов кальция (Са2+) и магния (Mg2+). Единицей жесткости воды является градус жесткости (°Ж), который соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его моля, выраженной в мг/дм3 (г/м3) согласно ГОСТ

31865–2012. Вода. Единица жесткости. Один градус жесткости соответствует 1 мг-экв/л (1 °Ж = 1 мг-экв/л).

Определение жесткости воды проводят комплексонометрическим методом. Метод основан на образовании комплексных соединений трилона Б с ионами щелочноземельных элементов. Определение проводят титрованием пробы раствором трилона Б при рН 10 в присутствии индикатора согласно ГОСТ 31954–2012. Вода питьевая.

Методы определения жесткости.

Оценку жесткости воды проводят по шкале порядка. Шкала порядка – это практическая шкала. По существующим стандартам жесткость воды оценивается по-разному. Можно отметить, что в Европе жесткой считается вода с показателем всего в 3–3,6 °Ж

12

(таблица 1). Заметим, что градусы жесткости (первая колонка таблицы 1) – это пропорциональная шкала отношений без аддитивности (см. ниже).

Таблица 1 – Шкалы порядка жесткости воды

_____________

1DIN – Deutsches Institut für Normung e.V. – Немецкий институт по стандартизации.

2USEPA – United States Environmental Protection Agency – Агентство по охране окружающей среды США.

Соотношение национальных единиц жесткости воды, принятых в других странах, приведены в таблице 2. Такие шкалы жесткости воды являются пропорциональными шкалами отношений. Шкала отношений – это шкала измерений количественного свойства (величины), характеризующаяся соотношениями эквивалентности, порядка, пропорциональности (допускающими в ряде случаев операцию суммирования) различных проявлений свойства. Отличительными признаками шкал отношений являются наличие естественного нуля и устанавливаемой по соглашению единицы измерений; применимость понятия «размерность»; допустимость масштабных преобразований, допустимость изменения спецификаций, описывающих конкретные шкалы. Шкалы отношений, в которых не имеет смысла операция суммирования, называют «пропорциональными шкалами отношений» (1-го рода), а шкалы, в которых эта операция имеет смысл, называют «аддитивными шкалами отношений» (2-го рода).

13

Таблица 2 – Соотношение национальных единиц жесткости воды, принятых в различных странах (по ГОСТ 31865–2012)

5 °Clark = 10 мг СаСО3 в 0,7 дм3 воды.

4 Реагенты, растворы и посуда

В лабораторной работе используют:

-комплексон III (трилон Б), рабочий раствор – титрант установленной концентрации;

-аммонийную буферную смесь (NH4OH+NH4Cl), раствор;

-эриохром черный Т (ЭХЧ-Т), металлоиндикатор, порошок, смешанный с порошком NaCl в соотношении 1:1;

-колбы конические стеклянные для титрования, вместимостью

100 см3;

-пипетку на 25 см3, бюретку на 10 см3, мерный цилиндр на 10 см3 стеклянные, не ниже 2-го класса точности.

5 Выполнение определения жесткости воды

От образца воды отбирают аликвотную часть, равную 25 см3, предварительно ополоснутой исследуемой водой пипеткой и переносят ее в коническую колбу для титрования, касаясь кончиком пипетки стенки колбы, затем добавляют отмеренные мерным цилиндром 5 см3 аммонийной буферной смеси. Добавляют стеклянной лопаточкой небольшое количество смеси индикатора ЭХЧ-Т с NaCl (~ 20–30 мг), раствор перемешивают до полного растворения этой смеси. Цвет полученного для титрования раствора –

красный.

14

Перед проведением титрования бюретку ополаскивают небольшим количеством раствора титранта – титрованным раствором комплексона III. Заполняют бюретку титрантом до нулевой отметки, не допуская наличия пузырьков в носике бюретки.

К титруемому раствору в колбе для титрования из бюретки по каплям добавляют раствор титранта – комплексона III при постоянном помешивании раствора в колбе круговыми вращательными движениями до тех пор, пока цвет раствора не станет сине-голубым. В этот момент прекращают прибавление раствора титранта и считывают с бюретки показание – объем (см3) титранта, пошедшего на титрование 25 см3 образца исследуемой воды. Это показание – результат титрования – записывают в лабораторный журнал.

Титрование проводят минимум в трех параллельных определениях до получения не менее трех сходимых результатов титрования (± 0,05 см3), из которых берут среднее арифметическое значение (Vср)

ииспользуют его для расчета жесткости воды (Ж) по формуле

Ж= Vcp N 1000 ,

Va

где Ж – жесткость воды, °Ж;

Vср – средний объем титранта – комплексона III, пошедшего на титрование 25 см3 исследуемого образца воды, см3;

N – нормальность титрованного раствора комплексона III, г-экв/л;

Vа – объем аликвотной части исследуемой воды, 25 см3.

6 Выполнение оценки жесткости воды

Оценивают тип анализируемой воды по шкале порядка (см. таблицу 1). Результат определения жесткости воды вносят в сводную таблицу 3.

Таблица 3 – Оценка типа жесткости воды

Сопоставляют значения полученной жесткости воды для различных стран (Германии, Великобритании, Франции, США) используя пропорциональную шкалу отношений (см. таблицу 2). Результаты вносят в таблицу 4.

15

Таблица 4 – Значение жесткости воды для различных стран

По итогам лабораторной работы делают вывод о качестве анализируемой воды, а также оценивают возможность употребления воды в пищу или в хозяйственных целях.

Контрольные вопросы

1Что называют жесткостью воды?

2В каких единицах выражается жесткость воды?

3Каким методом определяют жесткость воды?

4Какие типы шкал используют для оценки качества воды?

5Чем отличаются шкалы порядка и наименований?

16

Лабораторная работа 3

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ФЕРРОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВАНАДИЯ

(4 часа)

1 Цель работы

Ознакомление с приемами статистической обработки экспериментальных данных.

2 Задачи работы

Определение ванадия методом феррометрического титрования. Статистическая обработка полученных экспериментальных данных.

3 Теоретическое введение

Химический анализ включает большое число разнообразных операций, и даже при очень тщательном выполнении условий методики определения практически невозможно получить абсолютно одинаковые результаты.

Для оценки качества полученных результатов и погрешности измерения проводят несколько параллельных определений одной и той же пробы в одинаковых условиях. Обработка полученных данных проводится на основе методов математической статистики, которые позволяют сначала выявить грубые погрешности и исключить их из результатов анализа, а затем по оставшимся данным вычислить погрешность определения.

Используемый ниже алгоритм статистической обработки результатов применим для результатов измерений, которые имеют нормальное распределение (распределение Гаусса).

Поскольку для проведения статистической обработки необходимо иметь определенное количество результатов измерений, принадлежащих одной выборочной совокупности, то для определения содержания ванадия в анализируемом растворе используют несколько проб этого раствора.

17

Сущность феррометрического определения ванадия

Метод основан на титровании ванадия (V) раствором сернокислого железа (II). Конечную точку титрования определяют визуально. Для этого к раствору, подготовленному для титрования, добавляют несколько капель раствора фенилантраниловой кислоты (индикатор) и титруют его раствором соли Мора до перехода вишнёвой окраски раствора в желто-зеленую согласно ГОСТ 12351–2003. Стали легированные и высоколегированные. Методы определения ванадия.

4 Реагенты, растворы и посуда

В лабораторной работе используют:

-соль Мора (NH4)2 · Fe(SO4)2 · 6H2O, рабочий раствор – титрант установленной концентрации;

-смесь серной H2SO4 и фосфорной H3PO4 кислот в соотношении 1:1;

-фенилантраниловую кислоту, 5 % раствор – индикатор;

-воду дистиллированную;

-колбы конические стеклянные для титрования, вместимостью

100 см3;

-мерный цилиндр на 10 см3;

-пипетку на 10 см3 и бюретку на 10 см3, стеклянные, не ниже 2-го класса точности.

5 Порядок проведения работы

Выполнение работы включает следующие этапы.

1 Приготовление восьми отдельных проб анализируемого раствора соли железа с разной концентрацией разбавленного исходного анализируемого раствора.

2 Феррометрическое титрование восьми приготовленных растворов. 3 Расчет массовой концентрации ванадия (г/дм3) в каждом из

восьми приготовленных растворов.

4 Статистическая обработка результатов титриметрического определения ванадия в исследуемом растворе: вычисление среднего значения, стандартного отклонения, границ доверительного интервала случайной погрешности определения и др.

Приготовление восьми отдельных проб анализируемого раствора соли железа с разной концентрацией

Взять на рабочем месте мерную колбу вместимостью 100 см3 с анализируемым раствором.

18

Для приготовления отдельных проб анализируемого раствора соли ванадия с помощью пипетки (10 см3) последовательно отмеряют в восемь мерных колб вместимостью 100 см3 восемь разных объёмов этого раствора (в пределах от 5,00 до 8,50 см3), доводят до метки дистиллированной водой, закрывают пробкой и тщательно перемешивают.

Феррометрическое титрование приготовленных растворов

Из приготовленного первого раствора (Vр-р ванадия = 5,00 см3) с помощью пипетки, ополоснутой приготовленным раствором, отбирают три аликвотных части раствора, равные 5 см3, и переносят их в три конические колбы для титрования, касаясь кончиком пипетки стенки колбы. Затем добавляют в каждую колбу отмеренные мерным цилиндром по 10 см3 смеси кислот и 1–2 капли индикатора. Перемешивают растворы около 1 мин. Цвет полученных растворов – вишнёвый.

Перед проведением титрования бюретку ополаскивают небольшим количеством раствора титранта – титрованным раствором соли Мора. Потом заполняют бюретку титрантом до нулевой отметки, не допуская наличия пузырьков в носике бюретки.

Дальнейшее титрование раствором соли Мора (титрантом) каждого приготовленного раствора проводят при перемешивании до момента перехода окраски раствора из вишнёвой в зеленую. После этого добавление раствора титранта прекращают и считывают с бюретки показание – объем (см3) титранта соли Мора, пошедшего на титрование 5 см3 раствора. Это показание – результат титрования – записывают в таблицу 1. Аналогично оттитровывают семь следующих проб и результаты также вносят в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты титрования проб анализируемого раствора рабочим раствором соли Мора

15,00

25,50

36,00

46,50

57,00

67,50

78,00

88,50

19

Расчет массовой концентрации ванадия

Рассчитывают массу ванадия в каждой пробе исследуемого раствора по формуле

N V Э V

q = соль Мора ср V общ ,

Vа 1000

где q – масса ванадия в анализируемом растворе, г;

Nсоль Мора – нормальность титрованного раствора соли Мора; ЭV – эквивалент ванадия, г, ЭV = 50,94, г;

Vср – среднее значение объема раствора соли Мора, затраченного на титрование, см3;

Vобщ – общий объем анализируемого раствора, см3, Vобщ = 100 см3;

Va – объем аликвотной части раствора контрольной задачи, см3, Va = 5 см3;

По полученным данным рассчитывают массовую концентрацию ванадия в каждой пробе исследуемого раствора:

Vр-ра ванадия

где ρ – массовая концентрация ванадия, г/дм3;

qV – масса ванадия в анализируемом растворе, г;

Vр-р ванадия – объем раствора ванадия, отобранного от анализируемого раствора, см3.

Полученные данные заносят в итоговую таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты титрования проб анализируемого раствора

20