МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СРЕД

Методические указания

к лабораторным работам по дисциплине «Химия атмосферы и гидросферы»

для студентов дневной формы обучения направления 2807000162 «Техносферная безопасность»,

профиль «Инженерная защита окружающей среды»

Составители: О.А. Давыдова Е.С. Климов

Ульяновск УлГТУ

2014

УДК 543.3+502 (076) ББК 26.23я7

Ф 50

Рецензент доктор технических наук,

заведующий кафедрой «Электроснабжение» Ульяновского государственного технического университета

А.В. Кузнецов

Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета

Физико-химические методы анализа для исследования различных сред : методические указания к лабораторным работам / сост. : О.А. Давыдова, Е.С. Климов. – Ульяновск : УлГТУ, 2014. – 32 с.

Указания составлены в соответствии с программой курса «Химия

атмосферы и гидросферы». В методических указаниях рассмотрены лабораторные работы по выполнению определения загрязняющих веществ в воде и атмосфере воздуха с помощью физико-химических методов анализа. Выполнение лабораторных работ направлено на освоение и приобретение основных навыков работы с химическим оборудованием, закрепление теоретического материала при выполнении анализа, умение проводить обработку результатов анализа в виде экспериментальных данных. Каждая лабораторная работа по соответствующей теме заканчивается контрольными вопросами и заданиями.

Предназначены для студентов дневной формы обучения направления 2807000162 «Техносферная безопасность», профиль подготовки «Инженерная защита окружающей среды». Работа подготовлена на кафедре «Химия».

УДК 543.3+502 (076)

ББК 26.23я7

© Давыдова О.А., Климов Е.С., составление, 2014

© Оформление. УлГТУ, 2014

Ф 50

3

Содержание

Введение ………………………………………………………. 4

1. Основные правила и организация работы

в физико-химической лаборатории……………………………

1.1. Техника безопасности при работе в физико-химической

лаборатории……………………………………………………….

1.2. Оснащение физико-химической лаборатории……………..

5

5

8

2. Основные понятия количественного и качественного

анализа……………………………………………………………..

2.1. Классификация методов анализа……………………………

2.2. Требования, предъявляемые к методам анализа…………….

12

12

13

3. Лабораторная работа №1. Фотометрическое определение

железа (ІІ), (ІІІ) с сульфосалициловой кислотой в природных,

питьевых, сточных водах…………………………………………..

15

4. Лабораторная работа №2. Определение содержания

сульфатов в пробах природных и очищенных сточных вод

титрованием солью свинца в присутствии дитизона…………….

21

5. Лабораторная работа №3. Определение загрязняющих

веществ в атмосфере воздуха. Карбонатный метод определения

углекислого газа в воздухе ………………………………………...

26

Библиографический список……………………………………...

32

4

Введение

Настоящие методические указания составлены в соответствии с

программой курса «Химия атмосферы и гидросферы» и предназначены для

студентов дневной формы обучения направления 2807000162

«Техносферная безопасность», профиль подготовки «Инженерная защита

окружающей среды».

Целью курса «Химия атмосферы и гидросферы» является развитие у

студентов знаний о физико-химических процессах, протекающих в

окружающей среде; процессах трансформации и миграции примесей в

атмосфере и гидросфере; о влиянии антропогенной деятельности на

локальные и глобальные кругообороты элементов в природе.

К задачам изучения дисциплины следует отнести приобретение

студентами теоретических знаний и практических навыков, необходимых

будущим специалистам для принятия обоснованных, с точки зрения

физико-химических процессов, протекающих в окружающей среде,

решений.

Изучение теоретического курса закрепляется и расширяется во время

выполнения студентами лабораторных работ, где они самостоятельно

определяют характер изменений, которым подвергаются различные

загрязнители при попадании в атмосферу и открытые водоемы.

Выполнение лабораторных работ направлено на освоение и приобретение

основных навыков работы с химическим оборудованием, закрепление

теоретического материала при выполнении анализа, умение проводить

обработку результатов анализа в виде экспериментальных данных.

5

1. Основные правила и организация работы в физико-химической

лаборатории

1.1. Техника безопасности при работе в физико-химической лаборатории

Практическая работа в лаборатории должна быть построена в

соответствии с определенными и обязательными для всех правилами.

Перед началом работы в физико-химической лаборатории каждый студент

проходит инструктаж по технике безопасности, после чего оформляется

соответствующая запись в специальном журнале с обязательной распиской

студента и преподавателя, проведшего инструктаж.

При работе в физико-химической лаборатории необходимо соблюдать

следующие основные правила техники безопасности.

1. Работать студентам в лаборатории разрешается только в

присутствии преподавателя или лаборанта. Нельзя работать в лаборатории

без халата, халат должен быть из хлопчатобумажной ткани.

2. Работать с ядовитыми, раздражающими органы дыхания (кислоты,

щелочи) и сильно пахнущими веществами необходимо в вытяжном шкафу

в резиновых перчатках. Не допускается брать химические вещества

незащищенными руками, сыпучие реактивы отбирают только сухим

шпателем или специальной ложкой.

3. При работе с химической посудой следует соблюдать ряд правил:

– используется только специальная (неповрежденная) химическая

посуда, пробирки и химическая посуда должны быть чистыми и сухими.

Все сосуды с химическими реактивами должны иметь четкую надпись

(название реактива, концентрация, дата приготовления);

– нагревая жидкость в пробирке или в колбе, нужно держать их

специальным держателем. При нагревании реакционной смеси до кипения

или при перегонке следует пользоваться круглодонными тонкостенными

6

колбами, толстостенную посуду нагревать нельзя. Для перегонки

жидкостей используют специальные круглодонные колбы (колбы Вюрца,

Кляйзена) двух- или трехгорлые колбы;

– использование собранного прибора (для перегонки, фильтрования

при пониженном давлении) без предварительной проверки его

исправности не допускается. Оставлять действующий прибор без

присмотра не разрешается;

– при работе с водяным холодильником необходимо постоянно

контролировать непрерывность тока воды;

– при переливании жидкостей необходимо пользоваться воронкой.

Все склянки с реактивами должны быть закрыты пробками, нагретый

сосуд нельзя закрывать притертой пробкой до тех пор, пока он не

охладится.

4. Концентрированные кислоты, щелочи, ядовитые и сильно

пахнущие вещества обязательно хранить в хорошо вентилируемом

вытяжном шкафу. Разбавлять концентрированные кислоты можно только в

жаростойкой химической посуде путем добавления кислоты к воде, а не

наоборот. Щелочи растворяют путем постепенного прибавления к воде

небольших кусочков, которые берут пинцетом. Разлитые кислоты и

щелочи засыпают песком и после этого производят уборку.

5. Запрещается выливать в раковины остатки кислот и щелочей,

огнеопасных и ядовитых, плохо смывающихся и сильно пахнущих

жидкостей.

6. Запрещается пробовать химические вещества на вкус, всасывать

ртом любые жидкие вещества в пипетки.

7. Металлический натрий следует обязательно хранить в

толстостенных стеклянных или металлических банках под слоем керосина

или вазелинового масла. Работу с металлическим натрием проводят

7

обязательно вдали от воды. Категорически запрещается выбрасывать

остатки металлического натрия в раковину. Загоревшийся натрий

следует гасить сухим хлоридом натрия.

8. Запрещается нагревать летучие и легковоспламеняющиеся

жидкости (ЛВЖ) и вещества (эфиры, бензин, спирты, ацетон) на открытом

пламени. Нагревают ЛВЖ на масляных, песчаных, водяных банях или на

электрической плитке с закрытой спиралью в колбах с обратным водяным

холодильником. Все работы с ЛВЖ проводятся под тягой, вдали от

открытого огня. Нельзя перегонять жидкости досуха – это может привести

к взрыву или пожару.

9. При загрязнении помещения ртутью необходимо провести

демеркуризацию, т. е. механическую очистку от шариков ртути и

химическую обработку кашицей хлорида железа (III), а затем тщательно

промыть поверхность 20% раствором хлорида железа (III), мыльным

раствором и чистой водой.

10. При возникновении пожара в лаборатории следует тотчас

выключить вентиляцию, газ и все нагревательные приборы, удалить с

участка загорания все горючие вещества. Для тушения ЛВЖ используют

асбестовые одеяла, песок, порошковые составы, пенные и углекислотные

огнетушители. Пожары, вызванные возгоранием щелочных металлов,

нельзя тушить ни водой, ни углекислотными огнетушителями. Для этого

применяют сухой песок.

11. О травмах, ожогах, отравлениях необходимо незамедлительно

сообщить преподавателю и воспользоваться медикаментами и

приспособлениями, находящимися в лабораторной аптечке.

12. Закончив работу и уходя из лаборатории, необходимо выключить

воду, газ, все нагревательные приборы и работающее оборудование,

отключить электроэнергию.

8

1.2. Оснащение физико-химической лаборатории

Основные химические операции в лаборатории проводят на

химическом столе, снабженном подводом воды и электроэнергии.

На полке над химическим столом размещено мелкое оборудование и

реактивы, на столе – лишь необходимые для данной работы реактивы и

оборудование.

Химические лаборатории оборудованы шкафами (тягами) с приточно-

вытяжной вентиляцией, в которых проводят работы с вредными

веществами, с легковоспламеняющимися жидкостями. Вытяжной шкаф

также оборудован подводом воды, газа и электроэнергии.

Химические реактивы. Работа в лаборатории связана с постоянным

применением химических реактивов, которые условно разделяют

на общеупотребительные и специальные. К общеупотребительным относят

кислоты (серная, хлороводородная, азотная, уксусная), щелочи

(гидроксиды натрия и калия), раствор аммиака, неорганические соли и

некоторые органические растворители (бензол, хлороформ).

Набор специальных реактивов определяется спецификой данной

лаборатории (например, комплексоны и индикаторы).

Реактивы хранят в плотно закрывающихся емкостях. Разлагающиеся

на свету вещества хранят в посуде из темного стекла, а вещества, активно

реагирующие с влагой воздуха, в специальных склянках с притертой

крышкой. Все емкости с химическими реактивами должны иметь этикетки.

Нельзя пользоваться реактивами без этикеток или с неясными надписями.

При выливании жидкости из склянки ее берут так, чтобы надпись была

обращена к работающему студенту. Отходы химических реактивов

запрещается сливать в канализацию. Их собирают в отдельные банки для

слива кислот, щелочей, органических растворителей.

9

Химическая посуда. Посуда, применяемая в лаборатории, бывает

стеклянной, кварцевой и фарфоровой. Для изготовления химической

посуды применяют термостойкое стекло, устойчивое к действию

агрессивных сред (кислот, щелочей).

Наиболее употребительна в лаборатории стеклянная посуда. Дадим ее

классификацию и описание.

Пробирки. Для проведения предварительных опытов и качественных

проб часто используют пробирки. Они бывают различного диаметра и

длины. Помимо обычных пробирок имеются пробирки специального

назначения: градуированные, центрифужные (из толстостенного стекла),

пробирки для микро- и полумикроанализа. Наливаемая в пробирку

жидкость не должна занимать боле трети ее объема. Содержимое пробирки

нельзя перемешивать, закрывая ее отверстие пальцем. При нагревании

пробирку держат в пробиркодержателе в наклонном положении и

медленно вращают во избежание бурного вскипания и выплескивания

содержимого. Градуированные и центрифужные пробирки нельзя

нагревать на открытом пламени.

Химические стаканы. Вспомогательные работы с водными

растворами и редко – с органическими растворителями проводят в

химических стаканах. В них также проводят химические реакции при

температуре не выше 1000С при условии, что реакционная смесь не

требует защиты от доступа воздуха и влаги.

Колбы. В химической лаборатории используют плоскодонные и

круглодонные колбы. Плоскодонные колбы предназначены в основном для

сбора и хранения жидкостей, а также для проведения простых химических

реакций, преимущественно не связанных с нагреванием. Они бывают

круглые и конические.

10

Круглодонные колбы используют для проведения реакций при

повышенной температуре и работы в вакууме. Они подразделяются на

широко- и узкогорлые, одногорлые, двух-, трех- и четырехгорлые.

Мерная посуда. Для измерения объема жидкости используют

градуированную посуду. Мерную посуду нельзя нагревать, она теряет при

этом точность. Различают следующую мерную посуду:

– мензурки – представляют собой расширяющиеся кверху конические

стаканы с нанесенными делениями, их вместимость может быть до 500 мл;

– мерные цилиндры – бывают различной вместимости от 5 мл до 2 л.

Цилиндры и мензурки служат для грубого отмеривания жидкостей;

– мерные колбы – используют для отмеривания фиксированных

объемов жидкостей. Их вместимость колеблется от 10 мл до 2 л;

– пипетки – применяют для точного отмеривания небольших объемов

жидкостей. Градуированные пипетки бывают двух типов: «на наполнение»

(нулевая отметка вверху) и «на выливание» (верхняя отметка указывает

максимальный объем). Реже применяют пипетки Мора, рассчитанные на

отмеривание строго определенного объема, величина которого указана на

расширении пипетки. Они пригодны для серийных анализов.

Для наполнения пипеток используют резиновые груши. Не допускается

засасывать жидкости в пипетку ртом. Также выпускаются автоматические

пипетки с фиксированным или переменным объемом набираемой

жидкости;

– бюретки – можно рассматривать как пипетки с краном.

Воронки. В химической лаборатории используют конические,

делительные и капельные воронки. Конические воронки из стекла

предназначены для переливания жидкостей из одного сосуда в другой или

фильтрования. Делительные воронки применяют для разделения

несмешивающихся жидкостей и проведения экстракции.

11

Холодильники. Для конденсации паров жидкости предназначены

холодильники. Они бывают прямые и обратные. Если сконденсированные

пары надо возвращать в зону реакции, применяют обратные

холодильники. При перегонке используют прямые холодильники.

Различают воздушные холодильники и водяные. С помощью воздушных

холодильников эффективно конденсируются пары жидкостей, кипящих

выше 1400С. Водяные холодильники имеют охлаждающую «рубашку»,

заполненную водой. Их используют для конденсации паров низкокипящих

жидкостей.

Лабораторное оборудование. Для проведения химических операций

используют различное лабораторное оборудование, инструменты и

принадлежности.

Лабораторный штатив Бунзена. Штатив представляет собой

железный стержень, ввинченный в массивное чугунное основание.

На этом стержне укрепляют различные приспособления для сборки

приборов – муфты, лапки, кольца. Муфты служат для крепления лапок и

колец на штативе. Лапки предназначены для закрепления на штативе

частей прибора, например колбы. Кольцо может служить для укрепления

конической воронки, на него можно положить асбестовую сетку,

на которую ставятся плоскодонная колба или стакан для нагревания.

Нагревательные приборы. В лаборатории широко используют

различные нагревательные приборы – газовые горелки (горелка Бунзена),

электроплитки, колбонагреватели. Выбор нагревательного прибора

зависит от целей и задач эксперимента. В химической лаборатории

предпочтение отдают электроплиткам с закрытой спиралью и

терморегулятором. Закрытая спираль обеспечивает безопасность в работе.

12

2. Основные понятия количественного и качественного анализа

2.1. Классификация методов анализа

1. По объектам анализа: неорганический и органический анализ.

2. По цели: качественный и количественный анализ.

Количественный анализ позволяет установить количественные

соотношения составных частей данного соединения или смеси веществ.

В отличие от качественного анализа количественный анализ дает

возможность определить содержание отдельных компонентов

анализируемого вещества или общее содержание определяемого вещества

в исследуемом объекте.

Методы качественного и количественного анализа, позволяющие

определить в анализируемом веществе содержание отдельных элементов,

называют элементным анализом; функциональных групп –

функциональным анализом; индивидуальных химических соединений,

характеризующихся определенной молекулярной массой, – молекулярным

анализом.

Совокупность разнообразных химических, физических и физико-

химических методов разделения и определения отдельных структурных

(фазовых) составляющих гетерогенных систем, различающихся по

свойствам и физическому строению и ограниченных друг от друга

поверхностями раздела, называют фазовым анализом.

3. По способу выполнения: химические, физические и физико-

химические (инструментальные) методы.

4. По массе пробы: макро- (>> 0,10 г), полумикро- (0,10 – 0,01 г),

микро- (0.01 – 10−6 г), ультрамикроанализ (< 10−6 г).

13

2.2. Требования, предъявляемые к методам анализа

1. Правильность – параметр, характеризующий близость

экспериментальных и истинных значений измеряемой величины.

Она характеризуется систематической погрешностью, которая зависит от

работы прибора, индивидуальных особенностей аналитика, ошибок при

расчете и методических погрешностей.

2. Воспроизводимость – параметр, отражающий случайные ошибки

измерения и показывающий степень разброса повторных (параллельных)

определений. Это мера того, как повторяются результаты при

многократном проведении анализа.

Воспроизводимость определяет вероятность того, что результаты

последующих измерений окажутся в некотором заданном интервале,

в центре которого находится среднее значение. Ее можно оценить

с помощью любого доступного образца, тогда как для оценки

правильности метода необходимо располагать стандартными образцами.

Стандартные образцы – образцы веществ, состав которых типичен

для определенного класса анализируемых материалов, определен

с высокой точностью и не изменяется при хранении. Непременным

условием применения стандартного образца в химическом анализе

является максимальная близость состава и свойств стандартного образца и

анализируемой пробы. Их применяют для градуировки и проверки

аналитических приборов и методов. Особое значение они имеют при

использовании физического метода анализа (пример: анализ сплавов

чугуна и стали).

3. Точность анализа определяется суммой правильности и

воспроизводимости.

14

4. Предел обнаружения – это минимальная концентрация вещества,

которая может быть определена данным методом с какой-то допустимой

погрешностью: (моль/дм3; мкг/см3; %).

5. Чувствительность – параметр, характеризующий изменение

аналитического сигнала, например, оптической плотности или

напряжения, с изменением концентрации определяемого компонента,

т. е. это тангенс угла наклона градуировочного графика.

6. Избирательность, селективность – возможность определения

какого-то вещества (иона) в присутствии других.

7. Экспрессность.

8. Простота.

9. Экономичность.

10. Локальность.

11. Автоматизация.

12. Дистанционность.

В производственных условиях, где анализы носят массовый характер,

выбирают наиболее простые, быстрые методы, если они обеспечивают

требуемую точность и достаточно низкий предел обнаружения.

Выбор метода в каждом конкретном случае определяется целями и

задачами исследования, а также производственными возможностями

(наличие химических реактивов и приборов).

15

Лабораторная работа № 1

Фотометрическое определение железа (ІІ), (ІІІ)

с сульфосалициловой кислотой в природных, питьевых,

сточных водах

Цель работы: Провести фотометрическое определение содержания

железа (ІІ), (ІІІ) в пробах воды. Приобрести навыки построения

калибровочных графиков на железо (ІІ), (ІІІ) при различных длинах волн.

Фотометрический метод анализа (фотометрия), совокупность

методов молекулярно-абсорбционного спектрального анализа, основанных

на избирательном поглощении электромагнитного излучения в видимой,

ИК и УФ областях молекулами определяемого компонента или его

соединениями с подходящим реагентом. Концентрацию определяемого

компонента устанавливают по закону Бугера-Ламберта-Бера.

Фотометрический метод включает визуальную фотометрию,

спектрофотометрию и фотоколориметрию.

Фотоколориметрия отличается от спектрофотометрии тем, что

поглощение света измеряют в видимой области спектра, реже в ближних

УФ и ИК областях (от ~ 315 до ~ 980 нм), а также тем, что для выделения

нужного участка спектра (шириной 10 – 100 нм) используют

не монохроматоры, а узкополосные светофильтры.

Приборами для фотоколориметрии служат фотоэлектроколориметры

(ФЭК), характеризующиеся простотой оптической и электрической схем.

Большинство фотометров имеет набор из 10 – 15 светофильтров и

представляет собой двухлучевые приборы, в которых пучок света от

источника излучения (лампа накаливания, редко ртутная лампа) проходит

через светофильтр и делитель светового потока (обычно призму), который

16

делит пучок на два, направляемые через кюветы с исследуемым раствором

и с раствором сравнения. После кювет параллельные световые пучки

проходят через калиброванные ослабители (диафрагмы), предназначенные

для уравнивания интенсивностей световых потоков, и попадают на два

приемника излучения (фотоэлементы), подключенные по

дифференциальной схеме к нуль-индикатору (гальванометр, индикаторная

лампа).

Недостаток приборов – отсутствие монохроматора, что приводит к

потере селективности измерений; достоинства фотометров – простота

конструкции и высокая чувствительность благодаря большой светосиле.

Измеряемый диапазон оптической плотности составляет приблизительно

0,05 – 3,0, что позволяет определять многие элементы и их соединения в

широком интервале содержаний от ~ 10-6 до 50% по массе.

Для дополнительного повышения чувствительности и селективности

определений существенное значение имеют подбор реагентов,

образующих интенсивно окрашенные комплексные соединения с

определяемыми веществами, выбор состава растворов и условий

измерений. Погрешности определения составляют около 5%.

Фотометрические методы анализа благодаря низкому пределу

обнаружения используются для определения низких значений

концентраций примесей в природных, питьевых, сточных водах.

Например, в питьевой воде фотометрическим методом определяют

содержание алюминия, никеля, свинца, железа, марганца, меди, цинка,

нитритов, нормируемых по их влиянию на токсикологические и

органолептические свойства воды. В соответствии с ГОСТ 2874-82

содержание железа Fe+2;+3 в питьевой воде не должна превышать 0,3 мг/л.

17

Сущность метода

В основе метода лежит реакция комплексообразования между ионами

железа и 5-моносульфосалициловой кислотой с образованием Fe(SSal)n,

где n=1,2 или 3.

Состав комплексов зависит от рН раствора. При рН=1,8-2,5 с ионами

Fe3+ образуется комплексный катион [Fe(SSal)]+, окрашенный в красно-

фиолетовый цвет, максимум светопоглащения 510 нм.

Сульфосалициловая кислота образует в аммиачном растворе

окрашенные в желтый цвет комплексные соединения как с ионами Fe2+,

так и с ионами Fe3+. Максимум светопоглащения комплексов в интервале

рН=8-11,5 лежит в области 400-430 нм. При рН=8-11,5 образуются

трисульфосалицилаты [Fe(SSal)3]3+.

При рН>12 сульфосалицилаты железа разлагаются с образованием

осадка основных солей и гидроксидов. Сульфосалицилатный метод можно

применять для определения железа в присутствии многих анионов, таких,

как фосфаты, хлориды, фториды, которые мешают определению железа

роданидным методом. Катионы, образующие комплексные соединения с

сульфосалициловой кислотой (Al3+, Cu2+, Pb2+), затрудняют определение

железа. Присутствие в растворе окислителей и восстановителей

нежелательно. Предел обнаружения железа 0,1 мг/л.

Экспериментальная часть

Реактивы и приборы:

- сульфосалициловая кислота, ч.д.а., 20%-й раствор;

- аммиак, ч.д.а., 10%-й раствор;

- соляная кислота, ч.д.а., раствор 3:2;

- железо-аммонийные квасцы, х.ч., основной стандартный раствор

содержит 0,1 мг железа в 1 мл (приготовление основного стандартного

18

раствора соли железа (ІІІ): навеску 0,864 г железо-аммонийных квасцов

растворяют в воде, предварительно подкисленной 5 мл серной кислоты

(1,84 г/см3), и доводят объем раствора до 1 л. Концентрация железа (ІІІ)

0,1 мг/мл. Рабочий стандартный раствор готовят в день проведения

анализа разбавлением основного раствора в 10 раз);

- хлорид аммония, ч.д.а, 2М раствор;

- фотоколориметр (КФК-2; КФК-3); кварцевые кюветы на 3 и 5 см;

- мерные колбы на 100 мл;

- мерные пипетки на 5, 10, 25 мл.

Определение суммарного содержания ионов железа (ІІ) и железа (ІІІ)

А) Построение калибровочного графика

В мерные колбы на 100 мл вводят 1, 2, 4, 6, 8, 10 мл рабочего

стандартного раствора соли железа, доводят рН раствора до 6-8, добавляя

10%-й раствор аммиака (контроль рН по универсальной индикаторной

бумаге). Затем приливают 2 мл 2М раствора хлорида аммония,

2 мл 20%-го раствора сульфосалициловой кислоты, 2 мл 10%-го раствора

аммиака.

После добавления каждого реактива содержимое колб перемешивают,

затем доводят объем раствора до метки дистиллированной водой,

перемешивают и через 15 мин фотометрируют при λ=400-430 нм в

кюветах с толщиной оптического слоя 5 см по отношению к

дистиллированной воде, обработанной как стандартные растворы.

Калибровочный график строят в координатах: оптическая плотность (D) –

содержание железа (C); мг/л.

Б) Выполнение анализа

Из тщательно перемешанной пробы анализируемой воды отбирают

10-25 мл (содержание железа не более 1 мг/л). Если содержание железа

19

выше, пробу необходимо разбавить. Отобранный аликвотный объем

переносят в мерную колбу на 100 мл. Далее добавляют реактивы и

проводят измерения как описано при построении калибровочного графика.

По калибровочному графику находят содержание железа,

соответствующее измеренной оптической плотности раствора.

Содержание железа (общего) в исследуемом растворе рассчитывают

по формуле

С(Feобщ) = Сгр.⋅Vкол./Vпр. ; мг/л (1)

С(Feобщ) – содержание железа (общего) в анализируемом растворе, мг/л;

Сгр. – содержание железа, найденное по калибровочному графику, мг/л;

Vпр. – объем раствора, взятый на фотометрирование, мл;

Vкол. – объем мерной колбы при разбавлении, мл.

Определение содержания ионов железа (ІІІ)

А) Построение калибровочного графика

В мерные колбы на 100 мл вводят 1, 2, 4, 6, 8, 10 мл рабочего

стандартного раствора железа (ІІІ), добавляют по каплям 10%-й раствор

аммиака до рН=6 (контроль по универсальной индикаторной бумаге).

Затем вводят 0,2 мл раствора соляной кислоты, 5 мл 20%-го раствора

сульфосалициловой кислоты, доводят объем раствора до метки

дистиллированной водой, перемешивают содержимое колбы и через

10 мин измеряют оптическую плотность раствора при λ =510 нм в кювете с

толщиной слоя 3 см.

По полученным данным строят калибровочный график зависимости

оптической плотности растворов от содержания ионов железа (ІІІ).

20

Б) Выполнение анализа

Аликвотный объем анализируемой воды 25-50 мл помещают в

мерную колбу на 100 мл (при содержании железа не более 1 мг/л). Если

концентрация железа выше, пробу необходимо разбавить так, чтобы

значение содержания железа укладывалось в калибровочный график.

К объему раствора в мерной колбе добавляют, если необходимо,

раствор аммиака или соляной кислоты до рН=6 (контроль по

универсальной индикаторной бумаге). Добавляют 0,2 мл раствора соляной

кислоты, 5 мл 20%-го раствора сульфосалициловой кислоты, доводят до

метки дистиллированной водой, перемешивают и измеряют оптическую

плотность. По калибровочному графику находят содержание железа (ІІІ) в

фотометрируемом объеме. Содержание железа (ІІІ) в пробе рассчитывают

по формуле (1).

Контрольные вопросы и задания

1. Обоснуйте влияние рН-среды на образование комплекса ионов

железа (ІІ), (ІІІ) с сульфосалициловой кислотой. Как зависит максимум

поглощения от состава комплекса?

2. Способы построения калибровочного графика. Какая зависимость

должна прослеживаться при построении калибровочного графика?

3. Что называется «холостой» пробой в фотометрическом анализе?

Что необходимо сделать, если содержание железа в пробе воды более

1 мг/л, и наоборот, содержание железа менее 0,1 мг/л? Ответ обоснуйте.

4. Как влияет разбавление или концентрирование пробы воды, взятой

на анализ, для проведения расчетов по экспериментальным данным?

5. Какое влияние на организм человека могут оказывать ионы железа

в питьевой воде, если содержание превышает 0,3 мг/л?

21

Лабораторная работа №2

Определение содержания сульфатов в пробах природных

и очищенных сточных вод титрованием солью свинца

в присутствии дитизона

Цель работы: Провести титриметрическим методом определение

сульфат ионов в пробах воды. Экспресс-анализ на повышенное

содержание сульфатов в воде.

Настоящая методика используется для определения

титриметрическим методом в пробах природных и сточных вод массовой

концентрации сульфатов в диапазоне от 50 до 300 мг/дм3 без разбавления и

концентрирования пробы.

Если массовая концентрация сульфатов в анализируемой пробе

превышает верхнюю границу, то допускается разбавление таким образом,

чтобы концентрация сульфатов соответствовала регламентированному

диапазону.

Если массовая концентрация сульфатов в анализируемой пробе

меньше 50 мг/дм3, следует применять другой метод определения.

Определению мешают окрашенные и взвешенные вещества, а также

катионы, способные реагировать с дитизоном.

Сущность метода

Титриметрический метод определения массовой концентрации

сульфатов основан на способности сульфатных ионов образовывать с

ионами свинца нерастворимый осадок PbSO4.

22

В точке эквивалентности избыток ионов свинца реагирует

с дитизоном с образованием комплексного соединения. При этом окраска

раствора изменяется из сине-зеленой в красно-фиолетовую.

Экспериментальная часть

Реактивы, химическая посуда и оборудование :

- нитрат свинца, х.ч., 0,02N раствор (навеску нитрата свинца массой

3,31 г переносят в мерную колбу вместимостью 1 дм3, растворяют в

дистиллированной воде, доводят до метки водой, перемешивают. Хранят в

темной, плотно закрытой склянке не более 6 месяцев);

- сульфат калия, х.ч., 0,02N стандартный раствор (навеску сульфата

калия массой 0,436 г, предварительно высушенную в течение 2 часов при

105-1100С, переносят в мерную колбу вместимостью 250 см3, доводят

дистиллированной водой до метки и перемешивают);

- дитизон, ч.д.а. (0,1 г дитизона растирают в фарфоровой ступке с 5 г

бензойной кислоты. Хранят в темной, плотно закрытой склянке);

- спирт этиловый ГОСТ 18300 или ацетон ГОСТ 2603;

- катионит сильнокислотный КУ-2; ГОСТ 20298;

- мерные колбы на 250 мл;

- мерные пипетки на 5, 10, 25 мл;

- конические колбы; бюретки на 25 мл.

Определение коэффициента молярности нитрата свинца

(поправочный коэффициент)

Отбирают пипеткой 10 мл раствора сульфата калия в коническую

колбу, прибавляют тройной объем этилового спирта или ацетона и

индикатора (дитизона) в таком количестве, чтобы раствор был

сине-зеленого цвета.

23

Пробу титруют раствором нитрата свинца при постоянном

перемешивании до перехода окраски раствора в красно-фиолетовую,

не исчезающую при стоянии.

Повторяют титрование и при отсутствии расхождения в объемах

титранта более 0,02 см3 за результат титрования принимают среднее

арифметическое.

Коэффициент определяют по формуле

К = m(K2SO4) ⋅ 4 ⋅V(K2SO4) . , (1)

M(1/zK2SO4) ⋅V(Pb(NO3)2) ⋅ C(1/zPb(NO3)2)

К =. 0,4357 ⋅ 4 ⋅ 10 , (2)

87,12 ⋅V(Pb(NO3)2) ⋅ 0,02

m(K2SO4) – навеска сульфата калия, содержащаяся в 250 см3 раствора, г;

M(1/zK2SO4) – молярная масса эквивалента сульфата калия, г/моль;

V(K2SO4) – объем раствора K2SO4, взятый для определения

коэффициента, см3;

V(Pb(NO3)2) – объем раствора Pb(NO3)2, пошедший на титрование

сульфата калия, см3;

C(1/zPb(NO3)2) – молярная концентрация эквивалента Pb(NO3)2, моль/дм3.

Подготовка пробы воды к выполнению измерений,

устранение мешающих влияний

Мешающее влияние взвешенных и коллоидных веществ устраняют

предварительным фильтрованием пробы. Для удаления мешающих

катионов, способных реагировать с дитизоном, пробу воды пропускают

через колонку с катионитом КУ-2 в Н+-форме.

24

Смолу КУ-2 предварительно регенерируют соляной кислотой с

молярной концентрацией 4 моль/дм3 и отмывают дистиллированной водой

по жесткости и хлоридам.

Выполнение анализа

Отбирают пробу и пропускают ее через катионит КУ-2 в Н+-форме.

Первую порцию воды, прошедшую через колонку (25-30 мл),

отбрасывают. Затем пипеткой отбирают 10-20 мл профильтрованной воды

в коническую колбу, прибавляют трехкратное количество ацетона или

спирта. После добавляют индикатор (дитизон) в таком количестве, чтобы

раствор приобрел сине-зеленый цвет.

Пробу титруют раствором нитрата свинца при постоянном

перемешивании до перехода раствора в красно-фиолетовую окраску.

Вблизи точки эквивалентности раствор нитрата свинца следует прибавлять

по одной капле, интенсивно встряхивая смесь, до тех пор, пока перестанет

возвращаться синяя окраска раствора.

Массовую концентрацию сульфатов в анализируемой пробе воды

рассчитывают по формуле

СХ = . 48,03 ⋅ V(Pb(NO3)2) ⋅ 0,02 ⋅ К ⋅ 1000 , (3) V(пробы)

СХ – массовая концентрация сульфатов в воде, мг/дм3;

V(Pb(NO3)2) – объем раствора нитрата свинца, израсходованного на

титрование, см3;

V(пробы) – объем пробы, взятый для титрования после катионирования, см3;

0,02 – молярная концентрация эквивалента Pb(NO3)2, моль/дм3;

48,03 – молярная масса эквивалента сульфат-иона, г/моль;

К – коэффициент молярности (поправочный коэффициент).

25

Экспресс-анализ на повышенное содержание сульфатов в воде

Повышенное содержание сульфатов в водах ухудшает

органолептические свойства воды и оказывает вредное воздействие на

организм человека.

Экспресс-анализ на повышенное содержание сульфатов в воде может

быть проведен визуально по количеству осадка сульфата бария, выпавшего

при добавлении 3 капель 10%-го раствора BaCl2 в пробирку с 5 мл пробы

воды.

При визуальном определении содержание сульфатов дает

- отсутствие мути – 5 мг/л;

- слабая муть, появляющаяся через несколько минут – 5-10 мг/л;

- слабая муть, появляющаяся сразу – 10-100 мг/л;

- сильная муть, быстро оседающая – 100-150 мг/л.

Контрольные вопросы и задания

1. Какую роль выполняет дитизон при определении сульфатов в воде

титримерическим методом? Ответ обоснуйте.

2. Как устраняется мешающее влияние катионов, которые могут быть

в пробе воды? Какие катионы могут реагировать с дитизоном?

3. Альтернативные физико-химические методы анализа по

определению содержания сульфатов в воде. Диапазон определения.

4. Какие существуют нормативы на содержание сульфатов в питьевой

воде, природных и сточных водах?

5. Какое влияние на организм человека могут оказывать сульфат ионы

в питьевой воде при повышенном их содержании?

26

Лабораторная работа № 3

Определение загрязняющих веществ в атмосфере воздуха.

Карбонатный метод определения углекислого газа в воздухе

Цель работы: оценить содержание в воздухе рабочей зоны ряда

приоритетных и специфических загрязняющих веществ с помощью

экспрессных средств экоаналитического контроля.

Определить содержание углекислого газа в воздухе помещения.

Теоретическая часть

Технические средства контроля загрязнений атмосферы (ТСКЗ)

традиционно подразделяют на автоматические газоанализаторы

(средства измерения загрязняющих веществ), газосигнализаторы (средства

индикации уровня загрязнения) и неавтоматические приборы или другие

средства контроля (например, ручные газоопределители).

Как средства экоаналитического контроля в нашей стране более всего

распространены автоматические газосигнализаторы, которые постепенно

заменяются газоанализаторами – являющимися средствами измерения.

Значительную долю в оснащении экологических служб на производстве до

сих пор занимают и неавтоматизированные ТСКЗ атмосферы – на основе

индикаторных трубок, полуколичественных экспресс-тестов,

индикаторных «билетов», бумажек, красок, пленок и т. п.

Именно эти средства являются наиболее доступными для

общественного экологического контроля и учебного мониторинга,

поскольку просты и дешевы. Профессионально они чаще всего

используются при полевом контроле «на месте» для решения первой

задачи в технологической цепочке – «поисковой», а также для

предварительных и весьма приблизительных измерений.

27

Поэтому для поиска источника загрязнения воздуха используют

быстродействующие автоматические приборы типа «течеискатель» и

ручные экспресс-газоанализаторы с индикаторными трубками.

Приборы первого типа применяются экологическими и санитарно-

гигиеническими службами, а также подразделениями МЧС для измерения

загрязненности атмосферного воздуха за счет промвыбросов и

автотранспорта; воздуха рабочей зоны на предприятиях; на нефтебазах и

АЗС; в химчистках и помещениях бытового назначения, а также при

авариях для быстрой оценки опасности.

Действие ряда таких газоанализаторов основано на

фотоионизационном эффекте (возникновении интегрального

ионизационного тока в измерительной камере под действием

УФ-облучения при попадании в камеру частиц легко диссоциирующих

веществ). Эти приборы измеряют аналитический сигнал,

пропорциональный суммарной концентрации анализируемых

загрязняющих веществ (ЗВ), не различая их химической природы.

Для компенсации этого недостатка при поиске и для первичной

оценки источника загрязнения могут быть применены линейно-

колористические индикаторные трубки (ИТ) с аспиратором (насосом-

пробоотборником). Индикаторные трубки широко применяются как

средства экспресс-контроля.

Индикаторные и применяемые с ними (для вспомогательных целей)

фильтрующие трубки представляют собой герметично запаянные с обеих

сторон стеклянные трубочки малого диаметра, иногда даже капиллярные.

Внутри ИТ находятся массы, представляющие собой хемосорбент,

специфически изменяющий окраску в результате химической реакции с

определяемым веществом при прохождении через слой сорбента

загрязненного воздуха.

28

Длина прореагировавшего окрашенного слоя хемосорбента является

функцией и мерой массовой концентрации определяемого компонента, а

также объема пробы воздуха, отобранной для анализа. С помощью

прилагаемой проградуированной шкалы по длине окрашенного слоя

определяется искомая концентрация.

Некоторые ИТ используют совместно со вспомогательными

трубками: фильтрующими, окислительными, осушительными.

Внутри фильтрующих трубок могут находиться наполнители-сорбенты,

полностью пропускающие определяемое вещество и улавливающие

сопутствующие и мешающие анализу примеси. В качестве другого

варианта во вспомогательных трубках может находиться наполнитель,

взаимодействующий с определяемым веществом и преобразующий его в

другой летучий продукт, вызывающий более отчетливый эффект (сигнал)

при взаимодействии с хемосорбентом ИТ.

Хемосорбент – это твердый носитель (например, силикагель,

оксид алюминия, фарфор, стекло измельченное), пропитанный или

обработанный активным реагентом.

Так, например, в ИТ для определения угарного газа активный

силикагель пропитан раствором, содержащим серную кислоту и

йодид калия. Этот индикаторный порошок белого цвета под воздействием

СО окрашивается в коричневый цвет. Фильтрующий патрон, который

используется при анализе воздуха на содержание СО, может

подсоединяться к ИТ с помощью резиновой трубки узким концом встык.

При изготовлении фильтрующего патрона в лабораторных условиях

он заполняется через широкий конец послойно несколькими

поглотителями:

- силикагель, пропитанный раствором оксида хрома (ІV) в

серной кислоте;

29

- силикагель, пропитанный раствором оксида ртути (ІІ) в

серной кислоте;

- активированный уголь.

Фильтрующие трубки выдерживают 30 мин для принятия ими

температуры окружающей среды.

Выпускаются ИТ для определения десятков неорганических и

органических ЗВ. В сочетании с аспираторами для прокачки проб воздуха

они являются быстродействующими (время отклика – несколько минут),

чувствительными (предел обнаружения – десятые доли ПДК) и даже

достаточно точными средствами экоаналитического контроля

(относительная погрешность измерения + 25%).

Воздух жилых и производственных помещений содержит гораздо

больше опасных загрязнителей, чем атмосферный. Действие загрязнителей

на организм человека внутри помещения длительнее, чем на открытом

воздухе. В помещениях человек проводит в среднем 60-80% своего

времени.

Загрязнение воздуха производственных помещений также отличается

разнообразием и наличием специфических ЗВ, связанным с особенностями

технологий производства. Здесь действие ЗВ усугубляется их высокими

локальными концентрациями и сопутствующими факторами среды

(температурой, излучением и др.).

Экспериментальная часть

Для выполнения анализа в вытяжном шкафу расположите модельный

источник загрязнения воздуха одним из перечисленных загрязняющих

веществ (угарный газ, оксиды азота, диоксид серы, хлор, аммиак,

сероводород, бензин, легколетучие углеводороды).

30

Выберите нужную индикаторную трубку, отломите края запаянных

концов (Осторожно! Стекло!) при помощи металлических частей

отверстия на газоотборном ручном устройстве. Измерение проводят

не позднее 1 мин после разгерметизации трубки.

В соответствии с инструкцией на упаковке ИТ вставьте трубку по

направлению указательной стрелки в пробозаборник – в отверстие с

резиновой насадкой. Направьте открытый конец индикаторной трубки к

источнику загрязнения, и последовательно сжимая и разжимая ручное

устройство, прокачайте 10 раз воздух в течение 1 мин. Наблюдайте за

изменением окраски сорбента в индикаторной трубке.

Отсоедините индикаторную трубку, сравните длину окрашенного

слоя сорбента со шкалой. Проведите расчеты содержания загрязняющего

вещества в анализируемом воздухе, сравните со значениями ПДК рабочей

зоны и ПДКс.с. в атмосфере, используя справочные данные.

Карбонатный метод определения углекислого газа в воздухе

Реактивы и оборудование:

- медицинский шприц на 20 мл;

- 0,005%-й раствор карбоната натрия;

- фенолфталеин.

Выполнение анализа

В медицинский шприц на 20 мл наберите 5 мл 0,005%-го раствора

карбоната натрия с фенолфталеином, имеющего розовую окраску, а затем

наберите 20 мл воздуха. Встряхивайте в течение 1 мин. Если не произошло

обесцвечивание раствора, воздух из шприца осторожно выжмите, оставив

в нем раствор.

31

Затем вновь наберите порцию воздуха 20 мл и снова встряхивайте

в течение 1 мин. Эту операцию нужно повторять до обесцвечивания

раствора.

Объясните изменение цвета поглотительного раствора при

пропускании воздуха, напишите уравнение реакции. Предложите способ

расчета содержания углекислого газа в воздухе на основании опыта и

сравните полученный результат со справочными данными. Сделайте

выводы.

Контрольные вопросы и задания

1. Используя литературные данные, охарактеризуйте кратко

источники поступления определенного загрязняющего вещества в

атмосферу и его экологические последствия.

2. Сравните общие принципы, на которых основаны определения

загрязняющих веществ с помощью индикаторных трубок, и на таких

современных приборах, как хроматографы.

3. Обсудите тот факт, что примерно в 50% существующих методик

определения загрязняющих веществ в воздухе, где процедуры отбора

пробы и самого определения разделены, используют спектрофотометры

или фотоэлектроколориметры для окончания анализа.

Библиографический список

1. Давыдова О.А., Климов Е.С. Сборник лабораторных работ по физико-химическим методам анализа: Метод. указ. к лаб. работам по дисциплине «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» для студентов дневной формы обучения спец. 280202655 «Инженерная защита окружающей среды». – Ульяновск : УлГТУ, 2010. – 15 с. 2. Калюкова Е.Н. Титриметрические методы анализа: учеб. пособие для студ. нехимических спец. техн. вузов. – Ульяновск : УлГТУ, 2008. – 108 с. 3. Аналитическая химия : в 3 т. / под ред. Л.Н. Москвина. – М. : Академия, 2008. – 576 с., 304 с. 4. Отто М. Современные методы аналитической химии. – 3-е изд. – М. : Техносфера, 2008. – 543 с. 5. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа / под ред. О.М. Петрухина. – М. : Химия, 2001. – 496 с. 6. Васильев В.П., Морозова Р.П., Кочергина Л.А. Практикум по аналитической химии. – М. : Химия, 2009. – 328 с. 7. Справочное руководство по аналитической химии и физико-химическим методам анализа: уч. пособие для вузов / И.В. Тикунова [и др.]. – М. : Высшая школа, 2009. – 413 с. 8. Булатов М.И., Калинкин И.П. Практическое руководство по фотоколориметрическим методам анализа. – Л. : Химия, 2006. – 432 с.

Учебное издание

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ СРЕД

Методические указания к лабораторным работам

Составители: ДАВЫДОВА Ольга Александровна

КЛИМОВ Евгений Семенович

Редактор Н.А. Евдокимова

Подписано в печать 26.12.2014. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 1,86. Тираж 50 экз. Заказ 49.

Ульяновский государственный технический университет

432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32. ИПК «Венец» УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.