2. Вимірювання концентрації розчинів оптичними методами.

Оптичні методи аналізу базуються на взаємодії речовин з електромагнітним випромінюванням. Залежно від характеру цієї взаємодії розрізняють такі методи:

1. Абсорбційний метод аналізу – ґрунтується на здатності речовин поглинати електромагнітне випромінювання. До нього належать:

а) колориметричний метод аналізу – ґрунтується на візуальному порівнянні кольору або інтенсивності забарвлення стандартного та досліджуваного розчину;

б) фотоелектроколориметричний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні світлопоглинання у видимій частині спектру речовинами (іонами) за допомогою приладів (фотоелектроколориметрів) із спрощеним способом монохроматизації;

в) спектрофотометричний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні поглинання монохроматичного світла речовинами (іонами) в ультрафіолетовій (УФ), видимій чи інфрачервоній (ІЧ) частинах спектру;

г) атомно-абсорбційний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні поглинання монохроматичного світла атомами речовин, що знаходяться в газоподібному стані.

2. Нефелометричний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні інтенсивності розсіяного світла (вимір віддзеркаленого потоку світла); застосовується для неоднорідних систем.

3. Турбодиметричний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні каламутності системи, що зумовлена розсіюванням світла завислими речовинами (вимір у потоці світла, що проходить); застосовується для аналізу суспензій, емульсій, каламутних розчинів.

4. Рефрактометричний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні показника заломлювання світла розчином.

5. Люмінесцентний метод аналізу – ґрунтується на вимірюванні випромінювання, що з’являється в результаті виділення надлишку енергії збудженими атомами аналізованої речовини.

6. Емісійний спектральний метод аналізу – ґрунтується на дослідженні світла, що випромінюється газоподібними атомами речовини.

4. рН-метрія

Принцип дії потенціометричних аналізаторів, що належать до електрохімічних засобів вимірювань, грунтується на вимірюванні потенціалу розміщеного в електроліті електрода, за яким визначається концентрація контрольованого компонента аналізованої речовини.

Потенціометричні аналізатори використовують для вимірювання концентрацій різних іонів у рідинах (іонометрія), контролю окисно-відновного (редокс) потенціалу (редоксметрія), а також для газового аналізу.

Оскільки електродний потенціал безпосередньо виміряти неможливо, його вимірюють непрямим методом за ЕРС гальванічного перетворювача (рис. 11), складеного з вимірювального (індикаторного) електрода 1 і допоміжного (порівняльного чи опорного) електрода 2. Обидва електроди занурено в досліджуваний електроліт, наприклад, аналізовану рідину, що протікає через вимірювальний елемент 3.

Рисунок 11 - Схема гальванічного перетворювача потенціометричних аналізаторів: 1 - вимірювальний електрод; 2 - порівняльний електрод; 3 - вимірювальний елемент.

Вимірювання цієї ЕРС за постійного потенціалу Е_и дозволяє одержати інформацію про концентрацію контрольованих іонів в аналізованій рідині чи про її окиснювально-відновні властивості. Для забезпечення однозначного зв'язку між ЕРС гальванічної елемента і концентрацією контрольованого іона вимірювальний електрод має бути селективним саме до цього юна і не реагувати на зміну концентрацій інших іонів, які містяться в аналізованій рідині.

У потенціометрії для створення гальванічних елементів та електродів використовують такі потенціали: електродний, що виникає під час занурення металевих електродів у розчин їхніх іонів; мембранний, що виникає на мембранах, які мають селективну проникність для одного типу іонів(напівпроникні мембрани) і поділяють два однакові розчини, що містять ці іони в різних концентраціях; окиснювально-відновний (редокс-потенціал), який встановлюється на інертних металевих електродах, занурених у розчин окиснювально-відновних речовин; дифузійний, який виникає у місці контакту двох розчинів однієї й тієї ж речовини, що мають різну концентрацію, або між двома розчинами різних речовин.

У практиці аналітичного контролю хіміко-технологічних процесів широкого застосування набули іоноселективні електроди, характерною ознакою яких є те, що в електродних реакціях не беруть участі електрони, а основною є реакція обміну іонами між розчинами, розділеними мембраною, яка має селективну проникність для одного типу іонів. Вимірювачі активної концентрації іонів водню назвали рН-метрами.

За вимірювальний електрод у гальванічних перетворювачах рН-метрів зазвичай використовують скляний електрод, який має властивості водневого електрода. На межі скло - розчин виникає скачок потенціалу, залежність величини якого від активності іонів водню задовольняє рівняння Нернста. Широке поширення скляних іноселективних електродів пояснюється їх суттєвими конструктивними та експлуатаційними перевагами перед іншими електродами. На скляні електроди не впливає наявність у розчинах окиснювальних чи відновних речовин, які неприпустимі для інших електродів. Скляні електроди малоінерційні, мають стабільні характеристики. Крім електродів зі скляними мембранами, у практику аналітичного контролю почали широко впроваджувати іоноселективні електроди з твердими та рідкими мембранами.

Вибір системи електродів для первинного перетворювача рН-метра, їх конструктивне оформлення і технічні характеристики визначаються умо­вами експлуатації, діапазоном вимірювання, потрібною точністю. Для промислових рН-метрів електродна система забезпечується додатковою захисною арматурою для захисту від механічних впливів та її закріплення на досліджуваному об'єкті (для застосування в апаратах виробляються ПВП рН-метрів заглибного виконання, а на трубопроводах - магістраль­ного).

Основними складовими похибки первинних перетворювачів рН-мет-рів є лужна, дифузійна та температурна похибки. Лужна похибка виникає в лужних середовищах у зв'язку з процесами іонного обміну лужних елементів, тобто переходу лужних іонів (натрію чи літію) із мембранного скла скляного електрода в досліджуваний розчин. Лужна похибка знижує значення вимірюваного рН і функціонально залежить як від значення рН, так і від концентрації лужних іонів натрію чи літію. Один з основних способів зменшення лужної похибки - розроблення спеціального мембранного скла. Слід відзначити, що лужна похибка різко зменшується з підвищенням температури.

Під час вимірювання рН проточних розчинів у результаті утворення дифузійного потенціалу, що формується на діафрагмі електрода порівняння, виникає дифузійна похибка. У разі використання в електроді порівняння концентрованих розчинів електролітів з приблизно однаковою рухливістю аніонів і катіонів для дослідження розведених розчинів, концентрація яких менша за 0,1 моль/л, дифузійний потенціал не перевищує ±(0,2...0,3) мВ. Для сильноконцентрованих розчинів дифузійний потенціал може досягати 10 мВ за корисної ЕРС гальванічного перетворювача в сотні мілівольтів. Для зменшення дифузійних потенціалів допоміжний електрод сполучають із досліджуваним розчином за допомогою електролітичного ключа, заповненого насиченим розчином КС1, на межах з яким дифузійні потенціали не перевищують 1...2 мВ.

Найбільша складова похибки електродної системи рН-метра - температурна похибка, зумовлена залежністю електродних потенціалів вимірювального електрода за незмінного значення рН від температури. Під час створення рН-метрів потрібно враховують температурну залежність електродних потенціалів (у разі незмінного рН) і передбачають температурну компенсацію.

Найбільш типові схеми промислових потенціометричних аналізаторів рідин показано на рис. 12.

Рисунок 12 - Схеми потенціометричних аналізаторів рідин з електрометричним підсилювачем (а) та з автоматичним коригуванням температурної залежності й ручним уведенням поправок (б): 1 - вимірювальний електрод; 2 - порівняльний

електрод; 3 - гальванічний елемент; 4 - стабілізоване джерело постійного струму;

5 - електрометричний підсилювач; 6 - підсилювач змінного струму.