Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы геоэкологии. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
4. Что представляет собой национальная и международная тарифика-
ция аналитических методов?
5. Охарактеризуйте систему размерностей в геоэкологии.
6. Чем отличается следовый анализ от субмикроанализа?
7. Определите, сколько нанограмм содержится в 1 т вещества.
8. Назовите основные показатели для характеристики состава и
свойств компонентов геологической среды.
41
3. Аналитические методы количественного
определения загрязняющих веществ
Фундаментальная для геоэкологии окружающей среды потребность в современных экспрессных, надежных, высокочувствительных и селективных методах контроля становится все
более острой, в настоящее время данные анализа всё чаще служат для принятия решений о регулирующих мерах и санкциях.
При этом число методов, которые сейчас доступны аналитику,
так возросло, что при
их выборе возникают трудности. Это в
свою очередь и определяет необходимость знания некоторого
минимума обобщенных характеристик и систематизации контрольных методов. Разбору и обсуждению данной весьма обширной области и посвящен настоящий раздел.
Это сделано, с одной стороны, специально, а с другой – вынужденно, так как глубокое рассмотрение этих вопросов вряд
ли возможно без знания физико-химических принципов основных методов анализа.
Касаясь классификации важнейших методов анализа загрязняющих веществ, необходимо отметить её некоторую условность и возможную спорность. Авторы настоящего пособия сочли возможным при классифицировании опереться на традиционные подходы, свойственные известным школам геохимии
и аналитической химии.
3.1. Физико-
химические принципы
основных методов анализа
Гравиметрия (весовой анализ) основывается на выделении
и взвешивании труднорастворимого соединения определяемого
42
элемента. Например, железо (III) осаждают из раствора аммиаком в виде гидроксида, последний отфильтровывают на беззольном фильтре, прокаливают в муфельной печи до оксида
железа (III), который и взвешивают:
+3
Fe
+ 3Na(OН) = 3Na +Fe(OH)3,
Fe(OH)3
700°С
Fe2О3.
Осаждение должно проводиться так, чтобы другие элементы
полностью оставались в растворе, что достигается подбором
селективного осадителя или «маскировкой» примесей (переводом их в неосаждаемые формы).
Титрование (титриметрический анализ) основывается на
постепенном добавлении к исследуемому раствору некоторого
реагента до достижения эквивалентности, которая определяется
с помощью индикаторов или приборов.
Например, для определения
концентрации кислоты к её раствору добавляют раствор щелочи до рН = 7, что фиксируется с
помощью индикатора, который изменяет свою окраску при рН,
близком к 7, или рН-метра.
По тому же принципу определяют концентрации окислителя
(его титруют восстановителем), ионов тяжелых металлов (их
титруют комплексообразователями) и т. п. Во всех случаях существуют подходящие индикаторы или приборы, позволяющие
определять точку эквивалентности.
Расчет концентрации в любом варианте ведется на основе
уравнения
C
= C2V2,
1V1
где С
из них известна); V
и С2 – концентрации первого и второго растворов (одна
1
и V2 – их объемы.
1
Спектрофотометрия основывается на измерении интенсивности поглощения или испускания излучения в той или иной
43
части спектра (видимой, УФ, ИК и т.д.), которое обусловлено
переходом атома, иона или молекулы в возбужденное состояние или из такового в нормальное. Для этого используются
спектрофотометры различных конструкций.
Перед определением концентрации спектрофотометр калибруется, т.е. определяются его показания при использовании
растворов с точно известными концентрациями, на основании
чего строится калибровочный график – зависимость показания
прибора от концентрации, по которому и находят концентрацию исследуемого раствора.
Нейтронно-активационный анализ основывается на измерении радиоактивности изучаемой пробы после ее облучения
потоком нейтронов. Количество определяемого элемента находят путем сравнения радиоактивности изучаемой пробы с радиоактивностью эталона, облученного в тех же условиях
.
3.2. Методы концентрирования поллютантов
Выделяют два метода концентрирования поллютантов.
Экстракция – процесс распределения некоторого вещества
между двумя несмешивающимися жидкими фазами (наиболее
часто водой и органической жидкостью, иногда расплавами металлов или солей). Например, йод практически полностью переходит из водной фазы в эфир или хлороформ.
Хроматография – процесс распределения между подвижной
(элюентом) и неподвижной фазами используется в методах раз-
деления и анализа смесей. Хроматография может быть основана
на различной способности компонентов к адсорбции (адсорбционная хроматография), абсорбции (распределительная хроматография), ионному обмену (ионообменная хроматография)
или др. В зависимости от агрегатного состояния элюента различают газовую и жидкостную хроматографию.
44
Хроматографическое разделение проводят в трубках, заполненных сорбентом (колоночная хроматография); в капиллярах
длиной несколько десятков метров, на стенки которых нанесен
сорбент (капиллярная хроматография); на пластинках, покрытых слоем адсорбента (тонкослойная хроматография); на бумаге (бумажная хроматография). Хроматография широко используется в лабораториях и в промышленности для контроля производства и
выделения индивидуальных веществ.
Количественно оба метода можно охарактеризовать степенью извлечения (обычно выраженная в процентах доля вещества, перешедшая в ту фазу, которая обогащается этим веществом), коэффициентом или степенью обогащения (концентрирования), показывающими, во сколько раз концентрация
вещества в более богатой им фазе выше концентрации в исходном растворе, или
коэффициентом распределения, равным отношению концентрации распределяющегося вещества в органической (или твердой) фазе к концентрации его в водной фазе
в состоянии равновесия.
3.3. Классификация аналитических методов
на основе физико-химических принципов
В настоящее время все аналитические методы по физико-
химическим принципам делятся на пять групп:
1. Химические методы.
2. Физико
-химические методы.
3. Физические методы.
4. Биологические и биохимические методы.
5. Гибридные методы.
Аналитические методы начали появляться и оформляться
в аналитическую химию, которая возникла раньше других химических наук.
45
Т а б л и ц а 3.1
Примечания
Точны и надежны, но
длительны и низко-
чувствительны
Специфичны, но сред-
ней чувствительности
Традиционно широко
распространены
Просты и широко
применяемы
Высокочувствительны
Особочувствительны,
но не точны
Определяемые
компоненты (основные)
%
Макро- и полумикроком-
поненты
Микрокомпоненты (следы
металлов), органические
соединения
Микрокомпоненты (метал-
лы и органические
соединения)
Ультрамикрокомпоненты
(металлы и органические
соединения)
Точность,
3 Следы металлов
–10
10
–4
–6
0,3–1 Широкий круг соединений
–10
10
1. Химические методы
моль/л 1,0
Предел
–6
–3
2. Физико-химические методы
–5
–5
–7
5–10
–10
510
–3
–7
1–10
–10
10
–4
–9
10–50
–10
10
обнаружения, %
Аналитические методы геоэкологии и экологической геохимии [Мананков, 2016]
Аналитический метод
Полярография
(вольтамперометрия)
Физико-химическая (электро-,
радио-, оптико- и т. д.) титри-
метрия
Молекулярная спектроскопия
(фотометрия и спектрофото-
метрия в видимой и УФ-
области), хемилгоминометрия
Люминесцентные методы
(спектрофлуориметрия и др.)
Кинетические методы
(хронометрия, каталиметрия)
№
п/п
1.1 Гравиметрия 1–10 мкг 0,1 Макрокомпоненты
1.2 Титриметрия 10
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Примечания
Требуют специальных
условий работы и тех-
ники безопасности
Высокоспецифичны
Технически сложны,
но селективны
Высокочувствительны
Требуют специальных
условий работы
Высокоспецифичны,
но низкочувствитель-
ны
Точны и высокочув-
ствительны
Специфичны и высо-
кочувствительны,
но не количественны
Определяемые
компоненты (основные)
Следы элементов и орга-
нических соединений
Полумикрокомпоненты в
почвах
Органические вещества,
газы
Переходные
и полуметаллы
Щелочные, щелочнозе-
мельные и некоторые пе-
реходные металлы
Многие элементы
и органические
соединения
Биологически активные
вещества
%
Точность,
1–10
1–2
–3
–2
–10
–10
–8
Предел
–3
10
5–10
5–10
–10
10
–6
–9
5–10
–10
10
–2
–3
–10
–5
–7
3. Физические методы
2–10
–7
до 10
–4
1–5 Макрокомпоненты
–3
10
–7
обнаружения, %
0,5–20 Следы элементов
–10
Качествен-
ное обна-
ружение
4. Биологические и биохимические методы
Высокочувстви-
тельны
Аналитический метод
Рентгенофлуоресцентная
спектрометрия
№
2.6 Радиометрия 10
п/п
2.7
3.1 Инфракрасная спектроскопия 10
Атомно-абсорбционная
и эмиссионная спектроскопия
Атомно-флуоресцентная спек-
троскопия
Нейтронно-активационный
анализ
Ядерный и электронный маг-
нитный резонанс
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6 Масс-спектрометрия 10
Биологические, микробиоло-
гические (биоиндикация,
органолептические)
4.1
Примечания
Высокочувствительны,
но длительны
Особочувствителъны
и избирательны
Высокочувствительны,
специфичны, но дли-
тельны
Высокоспецифичны,
очень широко приме-
нимы для анализа сме-
сей, но иногда дли-
тельны
Особочувствительны,
точны и избирательны
Определяемые
компоненты (основные)
Ультрамикрокомпоненты
(металлы и органические
соединения)
Следы различных соеди-
нений на загрязненном
фоне
Следы элементов и орга-
нических соединений
%
Точность,
10–40 Ультрамикрокомпоненты
1–20
–5
–4
–10
–10
–9
Предел
–10
10–30
–6
5. Гибридные методы
–10
–9
–2
–3
5–10 Органические соединения
–10
10
–4
–7
2–20 Органические вещества
–10
10
–6
–10
1–20
–10
обнаружения, %
Аналитический метод
Экстракционные (в сочетании
с физико-химическими мето-
дами)
№
4.2 Ферментативные 10
п/п
4.3 Иммуноферментные 10
5.1
5.2 Газовая хроматография 10
Жидкостная и газожидкостная
хроматография
5.3
5.4 Хроматомасс-спектрометрия 10
В XVII в. Р. Бойль заложил основы качественного анализа
неорганических веществ в водных растворах. В середине
XVIII в. М.В. Ломоносов открыл закон сохранения массы при
химических реакциях, а также разработал основы количественного анализа. В основе современных методов лежат не только
химические, но и физические и физико-химические законы.
Полная классификация
табл. 3.1 [Мананков, 2016].
3.4. Краткая характеристика физико-химических
аналитических методов
Полярография – электрохимический метод качественного и
количественного анализа, а также исследования кинетики химических процессов, основанный на изучении вольтамперных
кривых (полярограмм), получаемых при электролизе исследуемого вещества. Все шире применяется для определения токсических, благородных и других металлов.
Физико-химическая титриметрия – совокупность электро-,
радио-, оптико- и т.п. методов количественного химического анализа, заключающихся в измерении объема раствора реактива известной концентрации, расходуемого на реакцию с данным количеством (объемом) определяемого вещества. В титриметрическом
анализе используются реакции нейтрализации, окисления–
восстановления, осаждения и комплексообразования. Титриметрический анализ осуществляется путем титрования
точку которого находят при помощи химических индикаторов
(например, рН) или по резкому изменению каких-либо физических характеристик исследуемого раствора с помощью точных
приборов.
Спектроскопия – раздел физики, изучает спектры электромагнитного излучения. По диапазонам длин волн различают:
аналитических методов представлена в
, конечную
49
радиоспектроскопию, инфракрасную спектроскопию, спектроскопию видимого излучения, ультрафиолетовую спектроскопию, рентгеновскую спектроскопию и гамма-спектроскопию.
По иерархическим типам атомных систем различают: атомную спектроскопию, молекулярную спектроскопию, спектроскопию кристаллов. В зависимости от источников излучения, используемых приборов и других экспериментальных особенностей существует еще одна классификация методов
спектроскопии: лазерная спектроскопия,
вакуумная спектроскопия, ультрафиолетовая спектроскопия и
т. п. Ультрафиолетовая спектроскопия – спектроскопия в УФобласти спектра. В интервале 200–10 нм она называется вакуумной, так как воздух в этой области непрозрачен и для исследования применяют вакуумные спектральные приборы. Области приложения вакуумной спектроскопии в геоэкологии очень широки:
спектральный анализ, физика плазмы
Люминесцентные методы – методы анализа неорганического и органического веществ по характеру их люминесценции. Качественная люминесценция определяется по виду ее
спектра, количественная люминесценция – по интенсивности
характеристических линий в спектре люминесценции анализируемого вещества и эталона.
Кинетические методы анализа основаны на измерении зависимости реакций от концентраций реагирующих
являются особо чувствительными и используются для определения следовых элементов в металлах и биологических объектах.
Радиометрия представляет собой совокупность физико-
химических методов измерений активности (числа распада
в единицу времени) нуклидов в природных и искусственных
источниках. Для выполнения инструментальных измерений при
радиоэкологическом обследовании объектов строительства используются различные типы измерительной
фурье-спектроскопия,
, астрофизика и др.
веществ. Они
аппаратуры. Клас-
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]