Контроль выбросов, производимых стационарными источниками загрязнения, с использованием титриметрических методов анализа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ УКРАИНЫ

 
ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКРУРЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

«ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА»

на тему: «Контроль выбросов, производимых стационарными источниками загрязнения, с использованием титриметрических методов анализа.»

                      

 

 

ВИПОЛНИЛА:

Студентка группы ЗПЕК-44

Жабина Татьяна Владимировна

 

 

 

ПРОВЕРИЛ:

Касянцук М.Л.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г.Макеевка-2011

Вступление.

 

Основной вклад в  выбросы коксохимических предприятий вносят дымовые трубы коксовых батарей и теплосилового цеха.

На этих стационарных источниках загрязнения атмосферного воздуха производят обязательный контроль выбросов оксида углерода, оксидов азота, сернистого ангидрида (диоксида серы), сажи (т.е. веществ в виде суспендированных твердых частиц).

Для определения концентрации диоксида серы в выбросах используют титриметрические методы анализа.

Титриметрические методы анализа отличаются простотой методики и аппаратуры, а также высокой точностью: с помощью титрования нетрудно определить концентрацию вещества в растворе с точностью до 0,1%.

 

Обзор литературы.

 

Титриметрический (объёмный) анализ является одним из важнейших  видов количественного анализа.

Определение содержания вещества в  титриметрическом анализе осуществляется в результате проведения реакции точно известного количества одного вещества с неизвестным количеством другого, с последующим расчётом количества определяемого вещества по уравнению реакции. Реакция, которая при этом протекает должна быть стехиометрической, т.е. вещества должны реагировать строго количественно, согласно коэффициентам в уравнении. Только при соблюдении этого условия реакция может быть использована для количественного анализа.

Основной операцией  титриметрического анализа является титрование – постепенное смешивание веществ до полного окончания реакции. При титриметрическом анализе титрованный раствор реактива наливают в измерительный сосуд, называемый бюреткой и понемногу приливают его к исследуемому раствору до тех пор, пока тем или иным способом не будет установлено, что затраченное количество реактива  эквивалентно количеству определяемого вещества, т.е. в ходе титрования раствор одного вещества постепенно приливается к раствору другого вещества до тех пор, пока вещества полностью не прореагируют. Раствор, который приливают, называется титрантом, раствор, к которому приливается титрант, называется титруемым раствором. Объём титруемого раствора, который подвергается титрованию, называется аликвотной частью или аликвотным объёмом.

Точкой эквивалентности называется момент, наступающий в ходе титрования, когда реагирующие вещества полностью прореагировали. В этот момент они находятся в эквивалентных количествах, т.е. достаточных для полного, без остатка, протекания реакции.

Для титрования применяются  растворы с точно известной концентрацией, которые называются стандартными или титрованными. Различают несколько типов стандартных растворов.

Первичным стандартом называется раствор с точно известной концентрацией, приготовленный по точной навеске вещества. Вещество для приготовления первичного стандарта должно иметь определённый состав и быть определённой степени чистоты. Содержание в нём примесей не должно превышать установленных норм. Зачастую для приготовления стандартных растворов вещество подвергается дополнительной очистке. Перед взвешиванием вещество высушивается в эксикаторе над осушающим веществом или выдерживается при повышенной температуре. Навеску взвешивают на аналитических весах и растворяют в определённом объёме растворителя. Полученный стандартный раствор не должен изменять своих свойств при хранении. Стандартные растворы хранят в плотно закрытой посуде. При необходимости их предохраняют от попадания прямых солнечных лучей и воздействия высокой температуры. Стандартные растворы многих веществ (HCl, H₂SO₄, Na₂B₄O₇ и др.) могут храниться годами без изменения концентрации.

Ввиду того, что подготовка вещества для приготовления стандартного раствора является длительным и трудоёмким процессом, химической промышленностью выпускаются фиксаналами. Фиксанал представляет собой стеклянную ампулу, в которой запаяна определённая навеска вещества. Ампулу разбивают, и вещество количественно переносят в мерную колбу, доводя затем объём жидкости до метки. Применение фиксаналов значительно облегчает процесс и сокращает время приготовления стандартного раствора.

Некоторые вещества трудно получить в химически чистом виде (например, KMnO₄). Из-за содержания примесей взять точную навеску вещества часто бывает невозможно. Кроме этого, растворы многих веществ при хранении изменяют свои свойства. Например, растворы щелочей способны поглощать углекислый газ из воздуха, в результате чего их концентрация со временем меняется. В этих случаях используют вторичные стандарты.

Вторичным стандартом называется раствор вещества с точно известной концентрацией, которая устанавливается по первичному стандарту. Вторичные стандарты (например, растворы KMnO₄, NaOH и т.д.) хранятся при тех же условиях, что и первичные стандарты, но их концентрацию периодически проверяют по стандартным растворам так называемых установочных веществ.

В процессе титрования аликвотная часть раствора отбирается обычно в  колбу, затем к ней из бюретки  малыми порциями приливается раствор  титранта, до достижения точки эквивалентности. В точке эквивалентности измеряется объём титранта, израсходовавшийся на титрование раствора. Титрование может осуществляться несколькими способами.

Прямое титрование заключается в том, что раствор определяемого вещества А титруют стандартным раствором титранта В. Способом прямого титрования титруют растворы кислот, оснований, карбонатов и т.д.

 При реверсивном титровании аликвотную часть стандартного раствора В титруют раствором определяемого вещества А. Реверсивное титрование применяется в том случае, если определяемое вещество неустойчиво при тех условиях, в которых производится титрование.

Обратное титрование применяют в тех случаях, когда прямое титрование не применимо: например, из-за очень низкого содержания определяемого вещества, невозможности определить точку эквивалентности, при медленном протекании реакции и т.д. В ходе  обратного титрования к аликвотной части определяемого вещества А приливают точно измеренный объём стандартного раствора вещества В, взятый в избытке. Непрореагировавший избыток вещества В определяют титрованием стандартным раствором вспомогательного вещества С. По разности исходного количества вещества В и его количества, оставшегося после протекания реакции, определяют количество вещества В, вступившее в реакцию с веществом А, исходя из которого и рассчитывают содержание вещества А.

Косвенное титрование или титрование по заместителю. Основано на том, что титруют не само определяемое вещество, а продукт его реакции со вспомогательным веществом С.

А + С ® D

Вещество D должно образовываться строго количественно по отношению к веществу А. Определив cодержание продукта реакции D титрованием стандартным раствором вещества В, по уравнению реакции рассчитывают содержание определяемого вещества А.

Реакции, которые используются в титриметрическом анализе, должны быть строго стехиометрическими, протекать достаточно быстро и по возможности при комнатной температуре. В зависимости от типа протекающей реакции различают:

• Кислотно-основное титрование, в основе которого лежит реакция нейтрализации.
• Окислительно-восстановительное титрование, основанное на окислительно-восстановительных реакциях.
• титрование, основанное на методе осаждения и комплексообразования.

В основе кислотно-основного титрования лежит реакция нейтрализации  между кислотой и основанием. В результате реакции нейтрализации образуется соль и вода.

HAn + KtOH ® KtAn + H₂O

Реакция нейтрализации протекает  при комнатной температуре практически  мгновенно. Кислотно-основное титрование применяется для определения  кислот, оснований, а также многих солей слабых кислот: карбонатов, боратов, сульфитов, и т. д. При помощи данного метода можно титровать смеси различных кислот или оснований, определяя содержание каждого компонента в отдельности. При титровании кислоты основанием или наоборот, происходит постепенное изменение кислотности среды, которое выражается водородным показателем рН.

В точке эквивалентности  рН достигает определённого значения. В этот момент времени титрование необходимо прекратить и измерить объём  титранта, пошедший на титрование. Для определения рН в точке эквивалентности строят кривую титрования – график зависимости рН раствора от объёма прибавляемого титранта.

Определение точки эквивалентности  можно производить инструментальным методом, непосредственно измеряя  рН раствора при помощи прибора рН–метра, но чаще для этих целей используют кислотно-основные индикаторы.

К окислительно-восстановительным, относят обширную группу методов  титриметрического анализа, основанных на протекании окислительно-восстановительных  реакций. В окислительно-восстановительном титровании используются различные окислители и восстановители. При этом возможно определение восстановителей титрованием стандартными растворами окислителей и наоборот, определение окислителей стандартными растворами восстановителей. Благодаря большому разнообразию окислительно-восстановительных реакций этот метод позволяет определять большое количество самых разнообразных веществ, в том числе и тех которые непосредственно не проявляют окислительно-восстановительных свойств.

Окислительно-восстановительное  титрование имеет ещё ряд достоинств. Окислительно-восстановительные реакции протекают достаточно быстро, что позволяет проводить титрование всего за несколько минут. Многие из них протекают в кислой, нейтральной и щелочной средах, что значительно расширяет возможности применения данного метода. Во многих случаях фиксирование точки эквивалентности возможно без применения индикаторов, поскольку применяемые растворы титрантов окрашены (KMnO₄, K₂Cr₂O₇) и в точке эквивалентности окраска титруемого раствора изменяется от одной капли титранта. Основные виды окислительно-восстановительного титрования различают по окислителю, используемому в реакции. Наиболее употребляемые из них:

перманганатометрия, использующая реакции окисления, производимые перманганатом калия (КМпО₄);

иодометрия, в основе которой лежат реакции окисления свободным иодом или восстановления ионами  J^-;

хроматометрия, при которой используются реакции окисления, производимые бихроматом калия К₂Сг₂О₇;

броматометрия, использующая реакции окисления броматом калия КВгО₃.

Метод осаждения и комплексонометрического титрования основан на осаждении того или иного иона в виде трудно растворимого соединения или связывании его в малодиссоциированный комплекс.

Каким бы из методов  ни проводилось определение, оно предполагает всегда:

а) точное измерение  объемов  реагирующих  растворов;

б) наличие  «рабочего  титрованного   раствора»,   при   помощи 
которого проводят титрование;

в) вычисление результатов анализа.

 

Методы анализа.

 

Рассмотрим в качестве примера использования титриметрических методов анализа при контроле выбросов вредных веществ в атмосферу подробно «Методику определения концентрации диоксида серы в выбросах титриметрическим методом с использованием тонона 1 в качестве индикатора».

«Методика определения  концентрации диоксида серы в выбросах титриметрическим методом с использованием тонона 1 в качестве индикатора» применяется для определения концентрации   диоксида   серы в выбросах, производимых стационарными источниками загрязнения, в диапазоне 500¸10000 мг/м³.  Диоксид серы по этой методике определяют в присутствии оксидов азота. Определению   диоксида   серы   мешают   примеси   триоксида   серы,   сероводорода, фосфаты,   ионы   аммония.   Относительная погрешность во всем диапазоне концентраций не превышает 8 %.

Метод основан на свойстве пероксида водорода окислять диоксид серы в процессе поглощения. Принципиальную схему реакции, протекающую при взаимодействии пероксида водорода с диоксидом серы, можно представить в следующем виде:

 

SO₂ + H₂O = H₂SO₃ (идет образование сернистой кислоты)

 

H₂SO₃ + H₂O₂  =  H₂SO₄ + H₂O  (идет образование серной кислоты)

 

Количество  образовавшейся серной кислоты пропорционально  концентрации уловленного и окисленного диоксида серы, который определяют при титровании серной кислоты раствором хлористого бария в присутствии торона 1 в качестве индикатора. Ионы сульфата связывают ионы бария с образованием труднорастворимого соединения ВаSО₄, выпадающего в осадок: