892

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессиональ-

ного образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Я.А. Васина, И.Л. Смельцова

МЕТОДЫ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Часть 1. Анализ водных объектов

Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторных работ по химии для студентов ННГАСУ 27.03.01 Стандартизация и метрология, направленность (профиль) Стандартизация и сертификация

Нижний Новгород ННГАСУ

2016

3

УДК 543.061

Васина Я. А. Методы химического анализа окружающей среды. Часть 1. Анализ водных объектов [Электронный ресурс]: учебно-метод. пос./ Я.А. Васина; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т -Н.Новгород: Издание ННГАСУ, 2016. – 17 с, ил. 1. электрон. опт. диск (CD-R)

В методических указаниях приведены рекомендации к выполнению химического анализа воды, почвы, воздуха для студентов, самостоятельно выполняющих учебно– исследовательскую работу.

Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторных работ по химии для студентов ННГАСУ 27.03.01 Стандартизация и метрология, направленность (профиль) Стандартизация и сертификация

Составители: доц. Я. А. Васина.

Под редакцией проф. В.А. Яблокова.

© Нижегородский государственный архитектурно-строительный универси-

тет, 2016

4

ВВЕДЕНИЕ

Хозяйственная деятельность человека всегда была связана с воздействием на окружающую среду. С развитием промышленности, транспорта, сельского хозяйства темпы и объемы технологического загрязнения окружающей природной среды в ХХ - ХХI веках настолько возросли, что потребовались специальные программы (локальные, региональные, международные) по охране природной среды обитания человека.

Данные химического анализа объектов окружающей среды позволяют установить: 1) какие соединения и в каких количествах содержатся в объектах окружающей среды; 2) динамику их превращения друг в друга, изменения их концентраций; 3) диагностировать, какими веществами загрязняется окружающая среда. На основе поставленного диагноза можно оценить вред, наносимый природе и человеку этими веществами; рекомендовать пути устранения их воздействия; оценить эффективность природоохранных программ и технологий.

Общий перечень наиболее опасных загрязняющих окружающую среду веществ согласован странами – членами ООН. В число важнейших загрязнителей: SO2, CO, CO2, N2O, NO, NO2, фотоокислители, реакционноспособные углеводороды, хлорированные органические соединения, нефть и нефтепродукты, нитриты (NO2-), нитраты (NO3-), аммиак (NH3), нитрозамины, радиоактивные вещества, тяжелые металлы (Hg,Pb,Cd); микотоксины, микробы.

Эти вещества накапливаются и мигрируют между основными компонентами природной среды: атмосферой, гидросферой, литосферой. Они включаются в трофические цепи. Циклы формирования антропогенных геохимических аномалий показывают, что для диагностики загрязнений необходим комплексный контроль содержания их во всех природных компонентах.

При выборе метода контроля исходят из гигиенических норматив (ПДК, ВДК, ОБУВ и др.), регламентирующих показатели воздействия различных веществ на человека, животных, растения.

Приступая к выполнению самостоятельной учебно-исследовательской работы, студент должен: 1) сформулировать цель работы; 2) изучить свойства определяемого вещества и его возможные формы состояния, используя литературные данные; 3) найти в справочниках ПДК или другие гигиенические нормативы; 4) оценить пригодность методики, изложенной в данных «Методических указаниях» для анализа проб исследуемой воды, почвы, воздуха; 5) составить план работы; 6) приготовить необходимые реактивы, посуду, изучить устройство и инструкции по работе на приборах; 7) провести анализ, выполнить расчеты по результатам анализа; 8) сделать вывод о соответствии анализируемого объекта (воды, почвы, воздуха) требованиям нормативных документов.

1.Основные этапы и операции количественного анализа

Выполнение любого анализа включает следующие основные этапы: планирование анализа, отбор пробы, измерение массы или объёма образца

5

пробы взятых на анализ, подготовка пробы к анализу, определение концентрации компонента, вычисления и оценка результатов анализа. Эти операции подробно описаны в [1].

Одна из важнейших операций количественного анализа – отбор пробы. Основные правила, которые необходимо соблюдать при отборе проб, изложены в нормативных документах (ГОСТ 174402-84; ГОСТ 29289-92; ГОСТ

4481-80; 5667-1:1980 и другие).

1.Проба, взятая на анализ, должна отражать условия и место её отбора. 2.Отбор пробы, её хранение, транспортировка должны производится так, чтобы не произошли изменения в содержании определяемого компонен-

та или свойства.

3.Объем или масса пробы должны быть достаточными и соответствовать применяемой методики анализа.

Отбор и подготовка пробы к химическому анализу лимитируют, как правило, надежность полученных результатов, а также трудоемкость и длительность аналитического цикла.

1.1.Общие правила отбора пробы Для проведения анализа берут так называемую, среднюю (представи-

тельную) пробу. Это небольшая часть анализируемого объекта, средний состав и свойства которой должны быть идентичны среднему составу и свойствам исследуемого объекта. Различают генеральную, лабораторную и анализируемую пробы.

Генеральная проба (называемая иногда первичной, большой или грубой) отбирается непосредственно из анализируемого объекта. Она достаточно большая – обычно – 1-50 кг.

Из генеральной пробы путем её сокращения отбирают лабораторную пробу (обычно от 25 г до 1 кг). Доставленную в лабораторию пробу делят на три части: одну часть используют для предварительных исследований, вторую – сохраняют для возможных в будущем арбитражных анализов, третью - используют непосредственно для анализа (анализируемая проба).

Содержание определяемого компонента в анализируемой пробе должно отражать его среднее содержание во всём исследуемом объекте, т.е. анализируемая проба должна быть представительной.

Помните, что погрешность в отборе пробы часто определяет общую погрешность химического анализа!

Чем больше материала отобрано для пробы, тем более она представительная. Однако, с очень большой пробой трудно работать, увеличивается время анализа, расходы на него. Поэтому проба должна быть представительной, но не очень большой.

Способы отбора пробы и её величина определяются, прежде всего, физическими и химическими свойствами анализируемого объекта: агрегатным состоянием, неоднородностью, возможностью изменения состава объекта и содержания определяемого компонента во времени.

6

Так как условия отбора проб могут быть разнообразными, что в каждом отдельном случае их необходимо подробно описывать.

1.1.1.Отбор проб газов Смеси газов гомогенные и неоднородность наблюдается лишь на моле-

кулярном уровне, поэтому генеральная проба может быть небольшой. Пробу газа отбирают, измеряя его объем при помощи вакуумной мерной колбы или бюретки с соответствующей запорной жидкостью, часто конденсируют газ при низких температурах в ловушках разного типа. В замкнутых помещениях (цех, рабочая комната и т.д.) пробу отбирают в разных точках, затем анализируют каждый объем или предварительно смешивают и анализируют весь объем.

При отборе пробы из потока газа обычно используют или метод продольных струй, если состав газа вдоль потока не меняется; или метод поперечных сечений, если состав газа вдоль потока меняется, (газ отбирают через специальные отверстия в трубах вдоль потока).

1.1.2.Отбор пробы жидкостей и растворов Растворы и жидкости отличаются высокой степенью однородности, по-

этому способы отбора проб просты: пробы отбирают при помощи пипеток, мерных колб, бюреток. Отбор пробы из общей ёмкости проводят после тщательного перемешивания, т.к. в поверхностном слое могут протекать химические реакции, меняющие состав образца. Если жидкость нельзя перемешивать, пробу отбирают с разной глубины и в разных местах при помощи специального устройства – батометра. Это цилиндрический сосуд объёмом 1-3 литра, закрывающийся сверху и снизу крышками. Место и время отбора выбирают в зависимости от решаемой задачи.

1.1.3.Отбор пробы твердых веществ Твердые вещества часто характеризуются неоднородностью. Погреш-

ность в анализе чаще всего определяется погрешностью в отборе пробы. Масса представительной пробы зависит от диаметра неоднородных частиц. Для расчета оптимальной массы представительной пробы часто используют приближенную формулу Ричердса - Чеггота:

Q = k ∙d2,

где Q – масса пробы, обеспечивающая её представительность, кг; d – наибольший диаметр неоднородных частиц, мм; к – эмпирический коэффициент пропорциональности, характеризующий степень неоднородности распределения определяемого компонента в материале, меняется в пределах 0,02 –1.

Способы отбора пробы различны для твердых веществ, находящихся в виде целого (слитка, стрежня, прутья и т.п.) или сыпучего материала. При пробоотборе от целого твердого объекта, учитывая возможность его неоднородности, материал либо дробят, либо разрезают на куски, либо высверливают в разных местах слитка. Отбирая пробы сыпучих продуктов, массу иссле-

7

дуемого объекта перемешивают и пробу отбирают в разных местах ёмкости и на разной глубине, используя специальные щупы пробоотборники.

После отбора генеральной пробы материал гомогенизируют: измельчают в специальных ступках и шаровых мельницах и просеивают. Далее проводят операцию усреднения пробы. Усреднение пробы включает перемешивание и сокращение пробы. Перемешивание проводят механически в емкостях (ящики, коробы и т. д.), перекатыванием из угла в угол на различных плоскостях (брезентовые полотнища, листы бумаги и т.д.), перемешиванием методом конуса и кольца [2]. Малые по объёму пробы хорошо перемешиваются при растирании в шаровых мельницах. Сокращение пробы проводят методом квартования, шахматного отбора, при помощи механического делителя [2]. Степень сокращения определяют заранее на основании расчета величин генеральной и анализируемой проб.

В процессе отбора и хранения проб возможность потери определяемого компонента, внесение загрязнений, изменение химического состава. Все это приводит к увеличению погрешности анализа. Учитывая источники возможных потерь и загрязнения при отборе пробы, следует строго регламентировать методику проботбора: число и последовательность операций измельчения и перемешивания, температурный режим, время контакта с атмосферой, материал пробоотборников, измельчающих устройств, время хранения проб, способ консервирования.

1.2.Подготовка пробы к анализу При подготовке пробы к анализу можно выделить три основные ста-

дии: 1) высушивание; 2) разложение (чаще растворение); 3) устранение влияния мешающих компонентов.

Высушивание пробы проводят, если она содержит адсорбированную, капиллярную, окклюдированную воду. Как правило, количество такой воды переменное. Твердые образцы часто содержат кристаллизационную воду (химически связанную). Для правильного установления состава и получения воспроизводимых результатов влагу из образца удаляют просушиванием до постоянной массы при температуре 105-120оС. Результат анализа рассчитывают на сухое вещество и указывают содержание в образце воды.

В большинстве методов анализа требуется перевод определяемого компонента в раствор и лишь в некоторых методах анализа (спектроскопических, ядерно-физических) для измерения аналитического сигнала используют твердые образцы без предварительного разложения. В каждом конкретном случае растворитель выбирают так, чтобы в нем проба растворялась быстро, в мягких условиях, а сам растворитель не мешал на последующих стадиях анализа.

1.3.Измерение массы или объема пробы Твердые образцы всегда взвешивают на аналитических весах (точность

0,0004 г), жидкие образцы или растворы можно взвесить или измерить объем пипеткой. Если в пробе раствора содержание определяемого вещества велико, то исходный раствор можно разбавить в мерной колбе до точно известно-

8

го объема и для анализа взять пипеткой аликвотную часть (известную часть) раствора.

1.4.Растворение Если анализируемый образец твердый, его надо полностью растворить.

Некоторые образцы можно растворить в воде, в каком-либо другом чистом растворителе или смеси растворителей. Для растворения образцов используют также кислоты, смеси кислот. Часто необходимо нагревание. Более труднорастворимые образцы можно сплавить с кислотными или щелочными плавнями, например, пиросульфитом калия (K2S2O7) или содой (Na2CO3). При сплавлении происходят реакции, в результате которых нерастворимые соединения превращаются в хорошо растворимые.

Примеры: K2S2O7(ж) + Al2O3(кр) = 3 К2SO4 + Al2(SO4)3 Na2CO3(ж) + As2O5(kр) = 2 NaAsO3 + CO2−

1.5.Отделение веществ, мешающих определению (предварительное разделение и маскирование)

Часто с выбранным реагентом взаимодействует не только определяемое вещество. Поэтому, прежде чем начать выполнение анализа, необходимо отделить определяемое вещество от мешающих примесей. Чаще всего разделение проводят методами: осаждения, жидкость – жидкостной экстракции, хроматографии, отгонки. Предварительное разделение может иногда потребовать столько же времени и сил, как и вся оставшаяся процедура анализа.

Предварительное разделение можно избежать, если использовать маскирующие агенты, Как правило, это комплексообразователи, дающие с веществами, мешающими определению искомого компонента, прочные неокрашенные комплексы. Например, при определении магния в природных водах титрованием раствором ЭДТА ионы алюминия и железа (3) маскируют введением триэтаноламина.

1.6.Определение концентрации компонента После удаления или маскирования мешающих веществ приступают к

выполнению анализа в соответствии с выбранной методикой.

2.Химический анализ воды

Термин «вода» включает в себя природную воду (вода рек, озер, морей

иокеанов, подземных источников), питьевую воду, разные технологические

источные воды.

Предлагаем Вам изучить методы анализа и выполнить некоторые анализы воды источников водоснабжения и питьевой воды.

Состав контролируемых показателей качества питьевой воды, порядок и правила проведения контроля соответствия этих показателей установленным требованиям в процессе производства и подачи питьевой воды потребителям устанавливает ГОСТ 2874-82 «Качество воды. Вода питьевая».

9

Нормативы показателей качества питьевой воды и методики их контроля приведены в таблице 1.

Таблица 1 Нормативы показателей качества питьевой воды и методики их

контроля

10