Нефелометрический метод анализа

Содержание:

Введение

1. Нефелометрический и  турбидиметрический анализ

1.1. Основные законы и  формулы

2. Применение нефелометрического и турбидиметрического методов

2.1Достоинства нефелометрического  и турбидиметрического методов

3. Теория и практика  измерения мутности.

3.1 Из истории измерения мутности

3.2 Нефелометрия как метод  измерения мутности

4.Турбидиметрический метод

4.1.Сущность метода

4.2.Аппаратура, материалы  и реактивы

5.Охрана труда

Вывод

Литература

Приложение

 

 

 

Введение

В аналитической химии  часто приходится сталкиваться с  определением малых количеств веществ. Например, содержание примесей в чистых металлах исчисляется тысячными долями процента. Содержание такого количества вещества невозможно определить химическими методами, в таких случаях приходится использовать оптические методы анализа. Наибольшее распространение имеет абсорбционный анализ, который может выполняться спектрофотомерией, фотоколориметрией и колориметрией.

К оптическим методам относятся турбидиметрия и нефелометрия — анализ основан на поглощении и рассеянии лучистой энергии взвешенными частицами определяемого вещества, а также флуорометрия — основан на измерении вторичного излучения, возникающего при взаимодействии лучистой энергии с анализируемым соединением, и др.

Моя курсовая работа посвящена теоретическим основам турбидиметрии и нефелометрии и их практическому применению в анализе объектов.

 

1. Нефелометрический и турбидиметрический анализ 

1.1. Основные законы и формулы 

В нефелометрическом и  турбидиметрическом анализе используется явление рассеяния света твердыми частицами, находящимися в растворе во взвешенном состоянии. 

Пробу освещают потоком света  с интенсивностью I₀, а затем, так же как в молекулярной абсорбционной спектроскопии, измеряют интенсивность прошедшего излучения I_t или определяют интенсивность  излучения, рассеянного под определенным углом (например, I₉₀ при 90^о). С ростом числа частиц суспензии отношение I_t/I₀ уменьшается, а отношения вида I₉₀/I₀ увеличиваются, во всяком случае, до умеренных концентраций.

Для очень разбавленных суспензий  измерение под углом гораздо  чувствительнее, чем измерения, когда  источник и приемник излучения находятся  на одной линии, поскольку при  этом можно наблюдать слабый рассеянный свет на темном фоне (Приложение 1).

Метод, в котором используют интенсивность прошедшего света I_t, называют турбидиметрией, а метод с измерением под углом 90^о (или каким-либо другим) – нефелометрией. При турбидиметрических измерениях величина, называемая мутностью, соответствует оптической плотности и может быть определена из соотношения, аналогичного основному закону светопоглошения:

S = lg (I₀/I) = k b N,

где S – мутность; k – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом мутности; b – длина пути; N – число рассеивающих частиц в единице объема. 

Для турбидиметрических измерений  можно использовать любой фотометр или спектрофотометр. Если растворитель и рассеивающие частицы бесцветны, максимальная чувствительность достигается  при использовании излучения  голубой или ближней ультрафиолетовой области. Для окрашенных систем оптимальную длину волны необходимо подбирать экспериментально.

Используемое в нефелометрии расчетное соотношение следующее:

I = K_a c I₀,

где K_a - эмпирическая константа системы (угол, под которым проводят измерения); с – концентрация . 

Конструкции приборов для  нефелометрических и люминесцентных измерений идентичны, поэтому любой  флуориметр можно использовать в качестве нефелометра. Поскольку длина волны при рассеянии не изменяется, необходимость во втором монохроматоре или светофильтре отпадает, но если они имеются в приборе, то их следует настроить на длину волны падающего света. Многие серийные флуориметры снабжены специальными приспособлениями для нефелометрических измерений. 

Применение методов, основанных на измерении рассеяния света, достаточно ограничено, прежде всего потому, что на измеряемый сигнал сильно влияет размер частиц. Поэтому необходимо строгое соблюдение идентичности условий построения градуировочного графика и анализа исследуемого раствора. Можно сказать, что и нефелометрия, и турбидиметрия могут быть полезными для селективных аналитических реакций, в результате которых образуется твердое соединение. Описаны методики определения аммиака иодидом ртути (реактив Несслера), фосфата в виде малорастворимого соединения с молибденом и стрихнином, сульфата бария с пределами обнаружения десятые-сотые доли микрограмма в миллилитре и др.

Более интересно применение методов, основанных на рассеянии света, для определения средней молекулярной массы полимеров в растворах.

Еще одно направление практического  использования таких методов  – это применение лазеров для  дистанционного определения частиц, содержащихся в воздушном пространстве.

2. Применение нефелометрического и турбидиметрического методов

Нефелометрический и турбидиметрический методы применяются для анализа  суспензий, эмульсий, различных взвесей  и других мутных сред. Интенсивность  пучка света, проходящего через  такую среду, уменьшается за счет рассеивания и поглощения света  взвешенными частицами.

Нефелометрический метод  определения концентрации основан  на измерении интенсивности света, рассеянного взвешенными частицами. Интенсивность рассеянного света  подчиняется закону Релея:

 

 

где Iн и I0 - интенсивности рассеянного и падающего света; n1 и n2 - коэффициенты преломления частиц и среды; N - общее количество светорассеивающих частиц; х - объем одной частицы; л - длина волны падающего света; r - расстояние до приемника рассеянного света; в - угол между падающим и рассеянным светом. В условиях нефелометрического определения ряд величин остается постоянным и уравнение (V.1) переходит в

 

 

Множитель 1/ л4 указывает на быстрое возрастание интенсивности рассеянного света с уменьшением длины волны падающего света. Так как красный свет рассеивается меньше, чем любой другой при прочих равных условиях, различные сигнальные огни (стоп-сигналы, огни маяка и т. д.) бывают красные.

Серьезное затруднение в  практике нефелометрии состоит в  том, что интенсивность рассеянного  света зависит от объема частиц. Большое значение в связи с  этим приобретает унификация методики приготовления взвеси - строгое соблюдение концентрационных и температурных условий, порядка и скорости смешения растворов, введение защитных коллоидов и т. д. При строгом соблюдении этих условий объемы частиц суспензии получаются примерно одинаковые, и их размер вполне удовлетворительно воспроизводится от опыта к опыту.

Концентрацию можно выразить числом частиц в единице объема:

 

 

где V - объем суспензии; NA - постоянная Авогадро.

Подставляя (V.3) в (V.2), получаем:

 

При постоянных V, х, l уравнение (V.4) принимает вид:

 

 

Или

 

 

Уравнение (V.6) показывает, что  отношение интенсивности рассеянного  света к интенсивности падающего  пропорционально концентрации взвешенных частиц. Калибровочный график в координатах  Iн/I0 как функция С будет линеен. Тем не менее иногда можно встретить рекомендацию строить калибровочный график в координатах Dкаж - С, где Dкаж - так называемая относительная или кажущаяся оптическая плотность, рассчитываемая как Dкаж=-lg(Iн/I0) Такая рекомендация дается, например, в заводских описаниях некоторых нефелометров (НФМ и др.).

Из (V.6) следует, что

 

 

т.е. Dкаж уменьшается с ростом концентрации, что вполне понятно, так как с увеличением концентрации увеличивается число рассеивающих частиц и интенсивность рассеянного света возрастает.

В соответствии с уравнением (V.7) график в координатах Dкаж - lg С будет линеен в противоположность графику в координатах Dкаж - С.

Турбидиметрические методы основаны на измерении интенсивности  света It прошедшего через анализируемую суспензию. При достаточном разбавлении интенсивность прошедшего света подчиняется уравнению

 

 

где l - толщина слоя, a k - иногда называют молярным коэффициентом мутности раствора.

В турбидиметрии применяются приемы работы и приборы, обычно используемые в фотометрии растворов, чаще всего метод калибровочного графика. Известен также ряд методик турбидиметрического титрования. Турбидиметрические определения обычно выполняют с помощью фотоэлектрических колориметров-нефелометров (ФЭК-56-2, ФЭК-60 и др.).

2.1Достоинства  нефелометрического  и турбидиметрического  методов

Основным достоинством нефелометрических  и турбидиметрических методов является их высокая чувствительность, что  особенно ценно по отношению к  элементам или ионам, для которых  отсутствуют цветные реакции. В  практике широко применяется, например, нефелометрическое определение  хлорида и сульфата в природных  водах и аналогичных объектах. По точности турбидиметрия и нефелометрия уступают фотометрическим методам, что связано, главным образом, с трудностями получения суспензий, обладающих одинаковыми размерами частиц, стабильностью во времени и т. д. К обычным сравнительно небольшим погрешностям фотометрического определения добавляются ошибки, связанные с недостаточной воспроизводимостью химико-аналитических свойств суспензий.

3. Теория и практика измерения мутности.

3.1 Из истории измерения мутности

Практические попытки  количественно измерить мутность относятся  к 1900 году, когда Уиппл и Джексон разработали стандарт суспензии, содержащей 1000 миллионных долей (ppm) кизельгура (диатомитовой земли) в дистиллированной воде. Разбавление этой суспензии позволило создать так называемую "кремнеземную" шкалу мутности на основе ряда стандартных суспензий для калибровки турбидиметров того времени.

Джексон воспользовался этой шкалой для работы с существовавшим тогда прибором диафанометром и  создал то, что известно под названием "свечной турбидиметр Джексона". Он состоял из специальной свечи и плоскодонной колбы. Джексон откалибровал его в единицах ppm по мутности взешенного кремнезема. Для определения мутности образец медленно наливали в колбу до тех пор, пока изображение пламени, наблюдаемое сверху не превращалось в бесформенное свечение (Приложение 2).

Погасание образа происходило, когда сравнивались интенсивность  рассеянного света с интенсивностью света проходящего. Высота жидкости в колбе затем переводилась в  единицы кремнеземной шкалы, а мутность определялась в джексоновских единицах мутности (JTU). Тем не менее, устойчивого состава стандартов достичь было трудно, поскольку их готовили из различных природных материалов - сукновальной глины, каолина, донных отложений.

3.2 Нефелометрия как метод измерения мутности

Со временем потребность  в прецизионном определении низких значений мутности в образцах, содержащих взвеси очень мелких частиц, потребовала  улучшения характеристик турбидиметров. Факельный турбидиметр Джексона имел серьезные ограничения в применении, поскольку не мог использоваться для определения мутности ниже 25 JTU. Точно определить мутность было весьма затруднительно и определение точки погасания сильно зависело от человека. Кроме того, поскольку источником света в приборе Джексона было пламя свечи, падающий свет находился большей частью в длинноволновой области спектра, где рассеяние на мелких частицах не эффективно. По этой причине прибор был нечувствителен к суспензиям очень мелких частиц. (Мелкие частицы кремнезема не приводили к погасанию образа пламени в факельном турбидиметре Джексона.) С помощью факельного турбидиметра невозможно также определить мутность, вызванную черными частицами, например сажи, поскольку поглощение света такими частицами настолько больше рассеяния, что поле зрения становилось черным до того, как достигалась точка погасания.

Было разработано несколько  турбидиметров, работающих на определении погасания, с усовершенствованными источниками света и методиками сравнения, но погрешность определения человеком приводила к недостатку точности. Фотодетекторы чувствительны к малейшему изменению интенсивности освещения. Они стали широко использоваться для измерения ослабления света, проходящего через образец фиксированного объема. Приборы обеспечивали при определенных условиях гораздо большую точность, но по прежнему не могли определить высокую или предельно низкую мутность. При низкой степени рассеяния изменение в интенсивности проходящего света, измеряемое в одной точке, настолько мало, что практически не детектируется ничем. Обычно сигнал просто терялся в шуме электронных компонентов. На больших концентрациях множественное рассеяние взаимодействовало с простым рассеянием.

Решение проблемы заключается  в том, чтобы определять количество света, рассеянного под углом  к падающему свету и затем  соотносить количество рассеянного  под углом света с реальной мутностью образца. Считается, что  угол в 90° позволяет обеспечить наибольшую чувствительность к рассеянию на частицах. Большинство современных  приборов определяют рассеяние под  углом 90° (Приложение 3).