Введение

В аналитической химии часто приходится сталкиваться с определением малых количеств (следов) 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 турбодиметрия 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 окружающей среды.

Глава 1. НЕФЕЛОМЕТРИЯ И ТУРБИДИМЕТРИЯ

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.).

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.

Глава 2. Теория и практика измерения мутности. Турбидиметрия и нефелометрия

2.1 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 (Рис. 1).

Рис. 1. Свечной турбидиметр Джексона

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.