Определение тяжелых металлов во мхах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Балтийский Федеральный университет имени Иммануила Канта

Курсовая работа

Определение тяжелых металлов во мхах

Выполнила:

студентка 3 курса

факультета биоэкологии

специальности химия

Степанова Анна

лининград - 2013

Содержание

1. Введение

2. Теоретическая часть

2.1 Атомно-флуоресцентный анализ

2.2 Рентгеновская флуоресценция

2.3 Электрохимические методы анализа

2.3.1 Инверсионная вольтамперометрия

2.3.2 Полярографический метод

2.4 Атомно-абсорбционный анализ

2.5 Гравиметрический анализ

2.6 Спектральные методы анализа

2.7 Дробный метод определения металлов

2.7.1 Дробный метод определения ртути

2.7.2 Дробный метод определения цинка

2.8 Колориметрический метод

2.8.1 Определение содержания цинка дитизоновым методом

Заключение

1. Введение

Мхи наземные или реже пресноводные автотрофные растения, объединяемые в отдел мохообразных, включающий наиболее примитивные высшие растения. Мхи подразделяют на 3 класса: антоцеротовые, печёночные и лиственные, или листостебельные. Все они сравнительно просто организованные, многоклеточные, большей частью многолетние (реже -- однолетние) растения высотой от 1 до 50 см с частичным обособлением ассимиляционной, водопроводящей и механической тканей; обладают единым циклом развития, различающимся в пределах отдельных групп некоторыми особенностями. Цикл развития мхов сопровождается обособлением диплоидного спорофита (видоизменённого спорангия) на гаплоидном гаметофите. В результате половое и бесполое поколения развиваются совместно на одном растении, т. е. Чередование поколений у мхов носит несколько условный характер. Из споры у мхов вырастает ветвистая, многоклеточная нитчатая или пластинчатая протонема, способная к фотосинтезу. Вследствие развития на протонеме многочисленных почек для мхов характерны групповые формы роста (дерновинки, куртинки, подушки), что помогает переносить неблагоприятные условия и способствует вегетативному размножению. У одних мхов из почек вырастают пластинчатые слоевища, у других -- радиально или двусторонне-симметричные побеги. Слоевища и побеги могут быть обоеполыми или однополыми; соответственно мхи бывают обоеполыми или разнополыми, однодомными и двудомными. Органы полового размножения -- антеридии и архегонии -- чаще располагаются группами среди многоклеточных стерильных нитей -- парафиз и окружены особыми листовидными выростами. В антеридиях (продолговатых мешочках на ножке с однослойной оболочкой) образуются двужгутиковые сперматозоиды, для передвижения которых к яйцеклетке необходима вода. В нижней расширенной части архегония помещается яйцеклетка. Оплодотворение и дальнейшее развитие зиготы происходит в архегонии. Из зиготы за несколько месяцев развивается спорогон -- орган бесполого размножения (спороношения), в значительной степени утерявший самостоятельность. Зелёное стеблеобразное тело молодого спорогона затем становится жёлтым, коричневым или тёмно-красным и дифференцируется на верхнюю спороносную часть -- коробочку и нижнюю -- ножку со стопой, которая врастает в ткань материнского растения. При образовании спор из археспория (спорогенной ткани) происходит мейоз. Зигота и спорогон у мхов диплоидны и составляют бесполое поколение -- спорофит. Протонема, слоевищные и олиственные гаметофоры гаплоидны и относятся к половому поколению -- гаметофиту; в основном на них ложатся функции автотрофного питания. Благодаря этому и способности гаметофита к вегетативному размножению цикл развития мхов длительное время может происходить без образования спорофита (у некоторых видов спорогоны неизвестны). Гаметофиты мхов морфологически разнообразны, однослойные листовидные выросты стебля (филлоиды) отличаются большим варьированием признаков. Спорогоны же во многих группах обнаруживают значительное сходство. На стеблях олиственных мхов образуются также хлорофиллоносные листо- или нитевидные выросты -- парафиллии, булавовидные волоски, вторичная протонема и нитевидные ризоиды, которые, как войлоком, могут обволакивать наземные или подземные части растений. Ризоидами слоевища и стебли прикрепляются к субстрату или плотно соединяются между собой. У мхов установлены апоспория и апогамия, гибридизация и полиплоидия, что даёт основания для признания их участия в видообразовательных процессах. Наряду с этим у мхов распространено формирование клонов, что способствует сохранению местных адаптивных изменений.

Мхи распространены повсеместно. Поселяются повсюду, кроме морей, засолённых почв и местообитаний, скрытых под ледниками или подверженных сильной эрозии. Антоцеротовые и печёночные мхи распространены в основном в странах с тропическим или умеренным влажным климатом; только немногие приспособились к произрастанию в сухих местах. Лиственные мхи растут почти повсеместно, однако наибольшего развития достигают на увлажнённых местах, в лесах, тундре; на болотах мхи образуют основную массу торфяных залежей. Интенсивно развиваясь, мхи способствуют заболачиванию почв, ухудшают качество лугов и др. с.-х. угодий. В связи с антибиотическими свойствами некоторых мхов их применяют иногда как перевязочный материал. Используют в качестве подстилки для скота, в строительной технике для изготовления плит и др.

Проблема загрязнения окружающей среды стоит достаточно остро. Необходимо проведение мониторинговых исследований за ее состоянием. Особое внимание при этом уделяется поиску и разработке надежных методов контроля. Мхи и подстилки - надежные источники информации о загрязнении окружающей среды. Мхи - это биоиндикаторы загрязнений, т.к. они непосредственно из воздуха аккумулируют тяжелые металлы и другие вещества. По содержанию во мхах тяжелых металлов можно судить об источниках и степени загрязнения окружающей среды.

2. Теоретическая часть

2.1 Атомно-флуоресцентный анализ

свинец цинк инверсионный вольтамперометрия

Атомно-флуоресцентный анализ (атомно-флуоресцентная спектрометрия), метод количеств, элементного анализа по атомным спектрам флуоресценции. Пробу анализируемого вещества превращают в атомный пар и облучают для возбуждения флуоресценции таким излучением, которое поглощают атомы только определяемого элемента (длина волны излучения соответствует энергии электронных переходов этих атомов). Часть возбужденных атомов излучает свет - аналитический сигнал, регистрируемый спектрофотометрами. Обычно используют резонансную флуоресценцию, при которой длины волн поглощенного и излученного света одинаковы. Для атомизации растворов применяют пламена, индуктивно связанную плазму или электротермические атомизаторы (нагреваемые электрическим током графитовые трубки, нити, стержни, тигли). Атомизацию порошкообразных проб осуществляют в графитовых тиглях или капсулах, которые иногда вносят в пламя для дополнит. нагрева паров пробы. Химический состав пламени выбирают так, чтобы выход флуоресценции (т. е. доля поглощенной энергии, излучаемой в виде флуоресценции) и степень атомизации были максимальны. С целью увеличения выхода электротермические атомизаторы обычно помещают в атмосферу аргона. Для возбуждения флуоресценции используют интенсивные лампы с линейчатым или непрерывным спектром, а также лазеры с перестраиваемой длиной волны.

В основе количеств. анализа лежит соотношение:

где I и I₀-интенсивности соответствующего аналитического сигнала и источника возбуждения,

-энергетический выход,

-телесный угол сбора флуоресценции,

С-концентрация элемента,

k -коэффициент, характеризующий поглощение света, =3,14.

С помощью стандартных образцов (не менее трех) строят градуировочный график в координатах lgI - IgC. Обычно графики линейны в области до 2 порядков величины концентраций определяемого элемента.

Аналитический сигнал в атомно-флуоресцентном анализе формируется на фоне шумов регистрирующей схемы и рассеянного света. Последний возникает в результате рассеяния излучения источника возбуждения на оптически неоднородностях паров и на частицах пробы в атомизаторах. При больших интенсивностях рассеянного света выделение из шума сигнала резонансной флуоресценции затруднено, поскольку длина волны аналитической линии совпадает с длиной волны рассеянного света. Для подавления влияния шума макрокомпоненты пробы отделяют и анализируют концентрат микроэлементов. Применяют также нерезонансную флуоресценцию, при которой длины волн возбуждающего и рассеянного света не совпадают с длиной волны флуоресценции. В этом случае эффективное возбуждение достигается только с использованием лазеров.

Для регистрации спектра флуоресценции применяют светосильные спектрофотометры с большим углом . Измеряют интенсивность излучения, распространяющегося под прямым углом к возбуждающему излучению (в этом направлении интенсивность рассеянного света обычно минимальна). Методом атомно-флуоресцентного анализа можно определять около 65 элементов; пределы обнаружения достигают 10^-6*10^-8% (в порошках) и 10^-3нг/мл (в растворах). Высокая селективность метода, обусловленная очень узкими линиями атомной флуоресценции, дает возможность определять одновременно несколько элементов. Для этого вокруг атомизатора устанавливают соответствующее число светосильных спектрофотометров. А.-ф. а. легко автоматизируется, стоимость аппаратуры относительно невысока.

Метод применяется для анализа пород (земных и лунных), почв, природных и сточных вод, сталей, сплавов, нефтей, пищевых продуктов, биологических объектов (крови, мочи), различных химических соединений, для дистанционного определения элементов в верхних слоях атмосферы.

В атомно-флуоресцентной спектроскопии возбуждение ионов происходит под воздействием внешнего источника излучения. Но поскольку, необходимым условием для возникновения атомно-флуоресцентного излучения является предварительное поглощение атомами кванта света подходящей энергии, то метод атомно-флуоресцентной спектроскопии, будучи по сути эмиссионным, имеет и много общего с атомно-абсорбционной спектроскопией.

Спектральный анализ давно применяется в химии и материаловедении для определения следовых количеств элементов. Методы спектрального анализа стандартизованы, информация о характерных линиях большинства элементов и многих молекул хранится в компьютерных базах данных, что в значительной мере ускоряет анализ и идентификацию химических веществ.

Чрезвычайно эффективным методом контроля за состоянием воздушной среды является лазерная спектроскопия. Она позволяет измерять размер и концентрацию находящихся в воздухе частиц, определять их форму, а также получать данные о температуре и давлении паров воды в верхних слоях атмосферы. Такие исследования проводятся методом лидара (лазерной локации ИК-диапазона).

Спектроскопия открыла широкие возможности для получения информации фундаментального характера во многих областях науки. Так, в астрономии собранные с помощью телескопов спектральные данные об атомах, ионах, радикалах и молекулах, находящихся в звездном веществе и межзвездном пространстве, способствовали углублению наших знаний о таких сложных космологических процессах, как образование звезд и эволюция Вселенной на ранней стадии развития.

До сих пор для определения структуры биологических объектов широко применяется спектроскопический метод измерения оптической активности веществ. По-прежнему при изучении биологических молекул измеряются их спектры поглощения и флуоресценция. Флуоресцирующие при лазерном возбуждении красители используются для определения водородного показателя и ионных сил в клетках, а также для исследования специфических участков в белках. С помощью резонансного комбинационного рассеяния зондируется структура клеток и определяется конформация молекул белков и ДНК. Важную роль сыграла спектроскопия при изучении фотосинтеза и биохимии зрения. Все большее применение находит лазерная спектроскопия и в медицине. Диодные лазеры используются в оксиметре - приборе, определяющем насыщенность крови кислородом по поглощению излучения двух разных частот ближней ИК-области спектра. Изучается возможность использования лазерно-индуцируемой флуоресценции и комбинационного рассеяния для диагностики рака, болезней артерий и ряда других заболеваний.

2.2 Рентгеновская флуоресценция

Когда атомы образца облучаются фотонами с высокой энергией - возбуждающим первичным излучением рентгеновской трубки, это вызывает испускание электронов. Электроны покидают атом. Как следствие, в одной или более электронных орбиталях образуются "дырки" - вакансии, благодаря чему атомы переходят в возбужденное состояние, т.е. становятся нестабильны. Через миллионные доли секунды атомы возвращаются к стабильному состоянию когда вакансии во внутренних орбиталях заполняются электронами из внешних орбиталей. Такой переход сопровождается испусканием энергии в виде вторичного фотона - этот феномен и называется "флуоресценция''. Энергия вторичного фотона находится в диапазоне энергий рентгеновского излучения, которое располагается в спектре электромагнитных колебаний между ультрафиолетом и гамма-излучением.

Различные электронные орбитали обозначаются K, L, M и т.д., где К - орбиталь, ближайшая к ядру. Каждой орбитали электрона в атоме каждого элемента соответствует собственный энергетический уровень. Энергия испускаемого вторичного фотона определяется разницей между энергией начальной и конечной орбиталей, между которыми произошел переход электрона.

Длина волны испускаемого фотона связана с энергией формулой

E = E₁-E₂ = hc/l,

где E₁ и E₂ - энергии орбиталей, между которыми произошел переход электрона,

h - постоянная Планка,

с - скорость света,

l - длина волны испускаемого(вторичного) фотона.

Таким образом, длина волны флуоресценции является индивидуальной характеристикой каждого элемента и называется характеристической флуоресценцией. В то же время интенсивность (число фотонов, поступающих за единицу времени) пропорциональна концентрации (количеству атомов) соответствующего элемента. Это дает возможность элементного анализа вещества: определение количества атомов каждого элемента, входящего в состав образца.

2.3 Электрохимические методы анализа

Классические электрохимические методы, в основе которых лежит стационарная поляризационная кривая (зависимость стационарного электрохимического тока от напряжения, наложенного на электродную систему), имеют предел обнаружения порядка микрограммов веществ (или ~10-5 моль/л). Такой предел обнаружения определяется отношением электролитического тока (определяемого электродным процессом изучаемого вещества) к остаточному току (сумма электролитических токов примесей, емкостного, обусловленного заряжением электрического двойного слоя тока, и «шума» измерительной цепи). Обычно величина остаточного тока составляет по меньшей мере 10-9 А, поэтому измеряемый электролитический ток должен быть достаточно большим для того, чтобы его можно было отличить от остаточного.

Предел обнаружения классических методов можно снизить, подавляя шум, используя более чувствительную измерительную аппаратуру, измеряя мгновенную концентрацию изучаемого вещества в диффузионном слое у электрода.

Для вращающихся и вибрирующих твердых электродов наряду с проблемами, связанными с достижением воспроизводимой конвективной диффузии, появляются трудности воспроизводимого обновления активной электродной поверхности. В настоящее время наиболее перспективными представляются вращающиеся дисковые электроды, для которых конвективный диффузионный поток электроактивного вещества может быть описан математически и активная поверхность которых с достаточно хорошей воспроизводимостью может быть обновлена полированием.

Чтобы снизить пределы обнаружения электроаналитических методов, необходимо предварительно сконцентрировать разбавленный раствор образца. Для этой цели применимы некоторые методы разделения (хроматография, жидкостная экстракция), при которых происходит отделение мешающих компонентов. Методики продолжительны и трудоемки, возможны потери части определяемого вещества в процессе концентрирования и введение загрязнений в анализируемую систему. Поэтому выгоднее проводить предварительное накопление в системе, в которой проводится измерение. Этот принцип положен в основу электрохимических инверсионных методов: определяемое вещество концентрируется электрохимически на индикаторном электроде (образуя амальгаму или пленку на поверхности электрода), а затем при обратном (электролитическом) процессе переводится в раствор. Таким образом исследуемое вещество в фазе электрода (на границе электрод -- раствор) находится в существенно большей концентрации, чем первоначально, и чувствительность определения возрастает во много раз.

2.3.1 Инверсионная вольтамперометрия

Инверсионная вольтамперометрия является одним из вариантов электрохимических методов анализа, основанных на предварительном концентрировании определяемого компонента. Предварительное концентрирование осуществляется за счет перевода определяемого компонента из большого объема раствора с малой концентрацией на поверхность или в малый объем электрода. Перевод определяемого компонента из раствора на поверхность или в объем электрода может быть осуществлен за счет протекания соответствующей электрохимической реакции или за счет процесса адсорбции. После накопления на поверхности или в объеме электрода определяемое вещество подвергается электрохимическому превращению (восстановлению или окислению), причем этот процесс можно проводить в разных режимах:

1) Потенциодинамическом (при линейном изменении потенциала электрода во времени - инверсионная вольтамперометрия). На записываемой при этом вольтамперограмме (кривой “ток - потенциал”) будет наблюдаться пик, высота которого определяется концентрацией накопленного на электроде вещества и, следовательно, является аналитическим сигналом. Для повышения чувствительности используются различные варианты переменнотоковой, дифференциально-импульсной, квадратно-волновой и других видов вольтамперометрии.

2) Гальваностатическом (электрохимическое превращение накопленного на электроде вещества при постоянном токе - инверсионная хронопотенциометрия). Из записываемой при этом хронопотенциограммы (кривой “потенциал - время”) определяется так называемое переходное время (время полного электрохимического превращения накопленного вещества), которое однозначно связано с количеством накопленного вещества и является, следовательно, аналитическим сигналом.

3) Потенциостатическом (при постоянном потенциале электрода - инверсионная хроноамперометрия и кулонометрия). В этом случае записывается кривая “ток - время”, на основании которой может быть определено количество электричества, пошедшее на электрохимическое превращение накопленного на электроде вещества и являющееся, следовательно, аналитическим сигналом. Если при потенциостатическом превращении накопленного на электроде вещества наблюдаемый ток практически не меняется во времени, то он также может служить аналитическим сигналом.

Наибольшее применение получил вариант инверсионной вольтамперометрии (переменнотоковой или дифференциально-импульсной).

Существенными преимуществами инверсионных электрохимических методов (ИЭАМ) перед другими методами определения следовых количеств неорганических и органических веществ в растворах являются:

возможность определения значительного числа химических элементов Периодической системы и многих органических веществ;

низкие пределы обнаружения, достигающие для некоторых элементов (Cd, Bi, Tl, Pb, Sb, Ni) и органических веществ уровня 10-9 - 10-10 М;

высокая селективность ИЭАМ и хорошие метрологические характеристики методик на их основе;

легкость компьютеризации и автоматизации аналитических определений;

относительная простота и сравнительная дешевизна приборов для ИЭАМ.

В качестве рабочих электродов в инверсионной вольтамперометрии чаще всего используют ртутный капельный электрод (висящая ртутная капля), ртутный пленочный электрод, платиновый, стеклоуглеродный электроды, электрод из графитовой пасты и другие. На ртутном электроде удобно проводить определение концентрации катионов некоторых металлов, которые обратимо восстанавливаются в определенной области потенциалов (от потенциала окисления ртути до потенциалов восстановления фоновых катионов) и образуют со ртутью амальгамы. К таким элементам относятся, в частности, Cu, Cd, Zn и Pb. Накопление определяемых компонентов на электроде проводят при постоянном значении потенциала электрода. Значение потенциала предварительного накопления должно быть таким, чтобы процесс электровосстановления протекал на предельном токе (Id). При этом с помощью перемешивания раствора поддерживают условия стационарной диффузии, т.е. постоянные гидродинамические условия. В результате этого количество восстановившегося за определенное время компонента оказывается прямо пропорционально его исходной концентрации в растворе. По окончанию стадии предварительного катодного накопления перед съемкой анодных вольтамперных кривых перемешивание раствора прекращают, и в течение 10 - 15 сек осуществляют стадию успокоения раствора. Процесс окисления образовавшейся амальгамы проводят в неперемешиваемом электролите в потенциодинамическом режиме. Для увеличения чувствительности метода при съемке вольтамперограмм используют дифференциальную импульсную квадратно-волновую методику, которая позволяет исключить влияние емкостного и фонового токов на получаемые зависимости.

2.3.2 Полярографический метод

Полярография -- один из важнейших электрохимических методов анализа веществ, исследования кинетики химических процессов. Протекание электрического тока в водном растворе связано с движением ионов, образованных в результате электролитической диссоциации. Протекание тока через ртуть, другие металлические и углеродные материалы - с движением электронов. Поэтому на границе электрод/раствор должен существовать какой-то процесс, обеспечивающий переход потока ионов в поток электронов, иначе ток не пойдет. Такой процесс представляет собой электрохимическую реакцию. Количество прореагировавшего вещества определяется законом Фарадея, то есть пропорционально прошедшему через электрод заряду:

М = Мэкв * Q/zF, (1)

Где М - масса прореагировавшего вещества, Мэкв - эквивалентная масса прореагировавшего вещества, Q - прошедший через электрод заряд, z- количество электронов, участвующих в превращении одной молекулы или одного иона, F- число Фарадея, задающее коэффициент пропорциональности. Число Фарадея равно 96485 кулон/моль и представляет собою число Авогадро, умноженное на заряд электрона. Если отнести уравнение (1) к единице времени, масса превратится в массовую скорость реакции (поток вещества) J, а заряд - в ток i, которые обычно относят к единице поверхности электрода (плотность тока): J = Мэкв * i/zF. Метод основан на анализе кривых зависимостей силы тока от приложенного к электрохимической ячейке напряжения -- так называемых полярограмм. В зависимости от формы и скорости изменения поляризующего напряжения различают постояннотоковую (классическую), переменнотоковую, высокочастотную, импульсную, осциллографическую полярографию, варианты метода имеют различные чувствительность (минимально определяемая концентрация вещества) и разрешающую способность (допустимое отношение концентраций определяемого компонента и сопутствующих). В ячейке для полярографии присутствуют поляризуемый и неполяризуемый электроды, площадь первого должна быть значительно меньше площади второго -- в таком случае идущая на нём электродная реакция не вызывает заметных химических изменений в растворе или изменения разности потенциалов. В качестве поляризуемого электрода могут быть использованы ртутно-капающий электрод, стационарный ртутный электрод, твёрдые электроды из графита, благородных металлов и пр.

Определение содержание свинца и цинка в одной пробе

Метод основан на восстановлении ионов свинца и цинка на ртутно-капельном электроде до соответствующего металла. В среде 1 М раствора фосфорной кислоты потенциал полуволны свинца 0,53 В и цинка 1,13 В по отношению к насыщенному каломельному электроду. Чувствительность метода составляет (объем исследуемой воды 100 мл) - 0,01 мг/л свинца и 0,1 мг/л цинка.

В среде 1 М раствора ортофосфорной кислоты потенциал полуволны свинца 0,53 В и цинка 1,13 В по отношению к насыщенному каломельному электроду.

Определению свинца мешает олово (Sn²⁺) в концентрации, превышающей в 1000 раз содержание свинца в исследуемой воде. Определению цинка мешает никель в концентрации, превышающей в 10 раз содержание цинка в пробе. Обычно эти концентрации олова и никеля в питьевой воде не встречаются.

Для определения отбирают 100 мл исследуемой воды, подкисленной при отборе воды (если исследуемая вода не была подкислена, ее подкисляют 0,5 мл концентрированной НСl), помещают в химический стакан и выпаривают на водяной бане. Сухой остаток минерализуют на песчаной бане. Для этого к сухому остатку добавляют 0,5 мл концентрированной серной кислоты и по каплям 2 мл концентрированной азотной кислоты и выпаривают досуха. Затем добавляют 0,5 мл перекиси водорода и 1 мл концентрированной соляной кислоты и вновь выпаривают на водяной бане. Для удаления остаточного количества кислоты сухой остаток дважды обрабатывают дистиллированной водой (порциями примерно 10 мл) с последующим выпариванием до сухого остатка.

После такой обработки сухой остаток количественно растворяют в 10 мл 1 М раствора ортофосфорной кислоты (фона) и переносят в центрифужную пробирку. Раствор центрифугируют 2 - 3 мин, при скорости вращения 3000 об/мин, удаляют кислород продуванием азотом и полярографируют при выбранных условиях, найденных при построении градуировочного графика. По полученной высоте полярографической волны, в миллиметрах, с помощью градуировочного графика определяют концентрацию свинца и цинка, в микрограммах, в пробе.

Для построения градуировочного графика в мерные колбы вместимостью 100 мл наливают рабочий стандартный раствор свинца с содержанием в 1 мл раствора 1 мкг свинца и цинка с содержанием в 1 мл раствора 10 мкг цинка в следующих количествах: 0,0; 1,0; 2,0; 4,0; 6,0; 8,0; 10 мл. Затем все колбы доливают до метки дистиллированной водой. Получают стандартную шкалу с содержанием 0,0 - 1,0 - 2,0 - 4,0 - 6,0 - 8,0 - 10 мкг Рb²⁺ и 0,0 - 10 - 20 - 40 - 60 - 80 - 100 мкг Zn²⁺. Обрабатывают образцовые растворы так же, как исследуемую воду. По полученным данным высот полярографических волн строят градуировочный график зависимости высоты полярографической волны от концентрации в мкг Рb²⁺ и Zn²⁺.

Выявление условий полярографирования.

В зависимости от периода капания ртути и количества электронов, восстанавливающихся на ртутно-капельном электроде, выбирают условия полярографирования: чувствительность, амплитуду, скорость изменения напряжения и период задержки.

Начальное напряжение для свинца - 0,4 В, для цинка - 0,9 В.

При построении градуировочного графика и исследовании проб воды необходимо контролировать период капания ртути и соблюдать одинаковые условия полярографирования.

2.4 Атомно-абсорбционный анализ

Атомно-абсорбционный анализ (атомно-абсорбц. спектрометрия), метод количественного элементного анализа по атомным спектрам поглощения (абсорбции). Через слой атомных паров пробы, получаемых с помощью атомизатора, пропускают излучение в диапазоне 190-850 нм. В результате поглощения квантов света атомы переходят в возбужденные энергетические состояния. Этим переходам в атомных спектрах соответствуют резонансные линии, характерные для данного элемента. Согласно закону Бугера-Ламберта-Бера, мерой концентрации элемента служит оптическая плотность A = lg(I0/I), где I0 и I-интенсивности излучения от источника соответственно до и после прохождения через поглощающий слой.

Приборы для атомно-абсорбционного анализа - атомно-абсорбционные спектрометры - прецизионные высокоавтоматизированные устройства, обеспечивающие воспроизводимость условий измерений, автоматическое введение проб и регистрацию результатов измерения. В некоторые модели встроены микроЭВМ. В качестве примера на рис. приведена схема одного из спектрометров. Источником линейчатого излучения в спектрометрах чаще всего служат одноэлементные лампы с полым катодом, заполняемые неоном. Для определения некоторых легколетучих элементов (Cd, Zn, Se, Те и др.) удобнее пользоваться высокочастотными безэлектродными лампами.

Достоинства атомно-абсорбционного анализа - простота, высокая селективность и малое влияние состава пробы на результаты анализа. Ограничения метода - невозможность одновременного определения нескольких элементов при использовании линейчатых источников излучения и, как правило, необходимость переведения проб в р-р.

Атомно-абсорбционный анализ применяют для определения около 70 элементов. Не определяют газы и некоторые др. неметаллы, резонансные линии которых лежат в вакуумной области спектра (длина волны меньше 190 нм). С применением графитовой печи невозможно определять Hf, Nb, Та, W и Zr, образующие с углеродом труднолетучие карбиды. Пределы обнаружения большинства элементов в р-рах при атомизации в пламени 1-100мкг/л, в графитовой печи в 100-1000 раз ниже. Абсолютные пределы обнаружения в последнем случае составляют 0,1-100 пг. Относительно стандартное отклонение в оптимальных условиях измерений достигает 0,2-0,5% для пламени и 0,5-1,0% для печи. В автоматическом режиме работы пламенный спектрометр позволяет анализировать до 500 проб в час, а спектрометр с графитовой печью-до 30 проб. Оба варианта часто используют в сочетании с предварит. разделением и концентрированием экстракцией, дистилляцией, ионным обменом, хроматографией, что в ряде случаев позволяет косвенно определять некоторые неметаллы и орг. соединения.

Методы атомно-абсорбционного анализа применяют также для измерения некоторых физических и физ.-химических величин - коэффициент диффузии атомов в газах, температур газовой среды, теплот испарения элементов и др.; для изучения спектров молекул, исследования процессов, связанных с испарением и диссоциацией соединений.

2.5 Гравиметрический анализ

Гравиметрическим анализом называют метод количественного химического анализа, основанный на точном измерении массы определяемого вещества или его составных частей, выделяемых в виде соединений точно известного постоянного состава. Гравиметрические определения можно разделить на три группы: методы осаждения, отгонки и выделения.

Методы осаждения основаны на осаждении определяемого компонента в виде малорастворимого химического соединения, фильтровании, прокаливании до постоянной массы и последующем определении массы полученного вещества. При этом различают осаждаемую форму - форму, в виде которой определяемое вещество осаждают, и гравиметрическую форму - форму, в виде которой определяемое вещество взвешивают.

Методы отгонки основаны на отгонке определяемого компонента в виде летучего соединения с последующим определением массы отогнанного вещества (прямое определение) или массы остатка (косвенное определение).

Методы выделения основаны на количественном выделении определяемого компонента из анализируемого раствора путем химической реакции с последующим определением массы выделенного вещества. Этот принцип положен в основу электрогравиметрического метода анализа, в котором определяемый компонент выделяется из раствора в результате электрохимических реакций, протекающих на электродах.

Среди гравиметрических методов анализа наиболее широко применяют метод осаждения.

2.6 Спектральные методы анализа

Спектральный анализ -- совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения, акустических волн, распределения по массам и энергиям элементарных частиц и др. В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Масс-спектрометрический анализ осуществляется по спектрам масс атомарных или молекулярных ионов и позволяет определять изотопный состав объекта. Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах. Оптический спектральный анализ характеризуется относительной простотой выполнения, отсутствием сложной подготовки проб к анализу, незначительным количеством вещества (10--30 мг), необходимого для анализа на большое число элементов. Атомарные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000--10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

2.7 Дробный метод определения металлов

Дробный анализ - метод качественного химического анализа, позволяющий обнаруживать в растворе отдельные ионы без их предварительного последовательного разделения. Дробный анализ основан на применении высокочувствительных селективных реагентов, при помощи которых искомый ион может быть обнаружен в присутствии других. Для проведения Дробный анализ применяют небольшие количества раствора; продолжительность анализа невелика. Метод отличается весьма высокой чувствительностью: открываемый минимум искомых ионов может достигать 0,05--0,001 мкг.

2.7.1 Дробный метод определения ртути

Для сокращения потерь ртути при химико-токсикологическом анализе биологического материала Н. А. Павловская впервые предложила производить осаждение ее непосредственно из минерализата в виде Cu₂(HgI₄). Ею было показано, что наибольшие потери ртути наблюдаются на второй стадии минерализации, стадии глубокого жидкофазного окисления органических веществ. А. А. Васильева заменила полную минерализацию частичной (деструктивной) и также применила осаждение ртути в виде Cu₂(HgI₄). A. H. Крылова внесла ряд усовершенствований, позволивших получать более постоянные результаты определений. Процесс деструкции проводится в контролируемых условиях температурного режима; потери ртути при исследовании по методу Крыловой меньше, чем по методу Васильевой, они не превышают 10% при содержании 0,001-20 мг Hg²⁺ в 100 г объекта исследования, а результаты определений являются более стабильными. Учтено также влияние окислов азота и солей аммония на определение Hg²⁺, а за счет увеличения объема и концентрации взвеси CuI достигается полнота осаждения ртути.

Методика дробного исследования на Hg²⁺: 20 г средней пробы печени и почки, но не смеси их, помещают (раздельно) в конические колбы объемом 200-300 мл, заливают 5 мл воды, 1 мл этилового спирта и 10 мл концентрированной азотной кислоты. Затем добавляют по каплям 10 мл концентрированной серной кислоты так, чтобы постоянно поддерживалась реакция разложения азотной кислоты с выделением тепла, но окислы азота при этом не выделились из колбы.

В процессе деструкции протекают следующие реакции:

С₂Н₅ОН + HONO₂ <----> C₂H₅ONO + Н₂O

В процессе реакции образуется небольшое количество N₂O₃, также вступающего в реакцию со спиртом:

2C₂H₅OH + N₂O₃ <----> 2C₂H₅ONO + H₂O; C₂H₆ONO + HOH <----> C₂H₅OH + HNO₂

Этиловый спирт играет роль катализатора.

По окончании прибавления серной кислоты колбу оставляют при комнатной температуре на 15 минут до прекращения бурной реакции выделения окислов азота, а затем нагревают на водяной бане в течение 10-20 минут. Если при нагревании реакция протекает слишком бурно с выделением бурых паров окислов азота, то добавляют 30-50 мл горячей воды. Горячий деструктат смешивают с двойным объемом горячей воды и, не охлаждая, фильтруют через двойной увлажненный фильтр. Фильтр с остатками жира промывают не менее 3-4 раз горячей водой. Промывные воды и деструктат объединяют и после охлаждения разбавляют водой до определенного объема. Затем производят качественное обнаружение и количественное определение Hg²⁺.

Методом, дающим возможность легко сочетать качественное обнаружение ртути в виде йодида с количественным определением Hg²+, является колориметрический метод Полежаева, рекомендованный А. Ф. Рубцовым для судебно-химической практики. Метод является специфичным и чувствительным, позволяет определять 0,5 мкг Hg²+. В основу метода положены следующие реакции:

Выделяющаяся при реакции серная кислота связывается бикарбонатом натрия.

К половине объема деструктата добавляют 5 мл 2,5 н. раствора сульфата натрия (для предотвращения разложения Cu₂I₂ окислителями), воды до 250 мл и 10 мл взвеси йодида меди¹. Если взвесь йодида меди окрасится в розовый или ярко-оранжевый цвет, то добавляют дополнительно еще 30 мл взвеси. Через 30 минут взвесь отфильтровывают через плотный бумажный фильтр и промывают 1% раствором сульфата натрия до полного отмывания желтой окраски и рН 5-6 последней фракции промывных вод. Промытый осадок обрабатывают ил фильтре точным объемом 0,35% раствор;) йода в йодпде калия. Объем его зависит от окраски взвеси (ориентировочные данные представлены в табл. 17).

Колориметрическое определение ртути производится в 3 объемах полученного раствора. Исключение составляет случай, когда взвесь йодида меди обрабатывалась только 6 мл раствора Сюда, которые используются полностью Для колориметрирования.

Объемы подбирают для колориметрирования с таким расчетом, чтобы содержание ртути было в пределах 2-4, 3-6, 6- 10 мкг стандартной шкалы.

Объемы колориметрируемого раствора доводят до 6 мл 0,25% раствором йода в йодиде калия и добавляют по 4 мл раствора, состоящего из растворов сульфата меди, сульфата натрия и бикарбоната натрия. Заключение о количестве ртути дают по среднему значению из 3 определений.

2.7.2 Дробный метод определения цинка

Дробное обнаружение и определение цинка основано на экстракции его хлороформом из минерализата в виде (ДДТК)₂Zn при рН 8,5, реэкстракции с помощью 1 н. раствора НС1 в водную фазу и последующем обнаружении и определении цинка.

Исследованию на Zn²+ предшествует предварительная реакция на Zn²⁺ с раствором дитизона в СНС1₃:

Zn²⁺ + 2H₂D_Z = Zn(HD_z)₂ + 2H⁺.

для чего к 0,5 мл минерализата прибавляют 0,5 мл тиомочевины или 2 капли насыщенного раствора тиосульфата натрия (для комплексирования Cd²⁺), устанавливают рН 4,5-5,0, добавляют 1 мл ацетатного буфера, 2 капли 0,01% раствора дитизона в хлороформе и 1 мл хлороформа. Смесь энергично встряхивают. В зависимости от количества цинка зеленый цвет хлороформного слоя переходит в розовый или красно-фиолетовый.

Реакция позволяет обнаруживать 5 мг и более цинка в 100 г органа. При отрицательном результате реакции образования дитизоната цинка (зеленое окрашивание хлороформа) исследование на этом заканчивают и дают заключение о необнаружении цинка.

При положительном результате реакции с дитизоном должны быть проведены дополнительные реакции после выделения Zn²⁺ в виде (ДДТК)₂Zn. К 10 мл минерализата добавляют 4 мл раствора калия, натрия-тартрата или 20% раствора лимонной кислоты (для маскирования железа), 1 мл насыщенного растворатиомочевины (или тиосульфата натрия) для маскирования кадмия и меди и доводят рН раствора до 8,5 (сначала добавляют 10% раствор едкого кали до появления розовой окраски в присутствии нильского голубого, а затем серную кислоту до рН 8,5. по универсальной индикаторной бумаге). Смесь энергично встряхивают с 3 мл 1% раствора ДДТК натрия и 5 мл хлороформа. Хлороформное извлечение отделяют, промывают водой и встряхивают с 3 мл 1 н. раствора соляной кислоты. Солянокислый реэкстракт отделяют, делят на 3 части и производят реакции: а) к 1 мл реэкстракта добавляют раствор едкого кали до рН 5,0 (по универсальной индикаторной бумаге) и 3-4 капли 5% раствора ферроцианида калия - выделяется осадок или муть белого цвета:

2ZnCl₂ + K₄Fe(CN)₆ = Zn₂[Fe(CN)₆] + 4КСl¹

б) к 1 мл реэкстракта добавляют раствор едкого кали до рН 5,0 и 3-4 капли свежеприготовленного 5% раствора сульфида натрия - образуется осадок или муть белого цвета; в) на предметном стекле упаривают 3-4 капли солянокислого реэкстракта, остаток растворяют в капле 10% раствора уксусной кислоты и добавляют каплю раствора тетрароданомеркуриата аммония - в присутствии цинка образуются бесцветные дендриты или одиночные клинообразные кристаллы:

Zn(OCOCH₃)₂ + (NH₄)₂Hg(SCN)₄ = Zn[Hg(SCN)₄] + 2NH₄OCOCH₃

Граница обнаружения цинка после экстракции составляет 0,5 мг.

Количественное определение основано на том же принципе, что и определение Cd²⁺, а именно: выделение из минерализата в виде (ДДТК)₂Zn при рН 8,5, реэкстракция в водный слой и комплексонометрическое определение при индикаторе эриохроме черном Т. При содержании 20 мг Zn²+ в 100 г органа определяется 88°/о со средней относительной ошибкой 5,3%, а при содержании 10 мг - 90% со средней относительной ошибкой 6,1%.

Граница определения 1 мг.

2.8 Колориметрический метод

Колориметрия -- это метод количественного определения содержания веществ в растворах, либо визуально, либо с помощью приборов, таких как колориметры. Колориметрия может быть использована для количественного определения всех тех веществ, которые дают окрашенные растворы, или могут быть, с помощью химической реакции, дать окрашенное растворимое соединение. Колориметрические методы основываются на сравнении интенсивности окраски исследуемого раствора, изучаемого в пропущенном свете, с окраской эталонного раствора, содержащего строго определенное количество этого же окрашенного вещества, или же с дистиллированной водой. Любопытна история возникновения колориметрии и фотометрии. Ю. А. Золотов упоминает, что Роберт Бойль (так же, как и некоторые ученые до него) использовал экстракт дубильных орешков, чтобы различить железо и медь в растворе. Однако, по-видимому, именно Бойль впервые заметил, что чем больше железа содержится в растворе, тем более интенсивна окраска последнего. Это был первый шаг к колориметрии. А первым инструментом колориметрии стали колориметры типа колориметра Дюбоска (1870), которые использовались вплоть до недавнего времени. Более совершенные приборы -- спектрофотометры -- отличаются возможностью исследования оптической плотности в широком диапазоне длин волн видимого спектра, а также в ИК и УФ-диапазонах, с меньшей дискретностью длины волны (с использованием монохроматора). Фотоколориметры и спектрофотометры измеряют величину пропускания света при определенной длине волны света. Контроль (обычно дистиллированная вода или исходный материал без добавления реагентов) используется для калибровки устройства. Колориметрия широко применяется в аналитической химии, в том числе для гидрохимического анализа, в частности -- для количественного анализа содержания биогенных веществ в природных водах, для измерения pH, в медицине, а также в промышленности при контроле качества продукции.Џ

2.8.1 Определение содержание цинка дитизоновым методом

Метод основан на образовании окрашенного в красный цвет соединения цинка с дитизоном с дальнейшим извлечением дитизоната цинка в слой четыреххлористого углерода (при рН 4,5 - 4,8).

Чувствительность метода составляет (объем исследуемой воды 100 мл) - 5 мкг/л.

В условиях прописи метода можно определить цинк в количестве от 5 до 50 мкг/л. Если потребуется определить количество цинка, выходящее за указанные пределы, отбирают на определение соответственно большее или меньшее количество воды.

Определению цинка мешает содержание меди более 0,001 мг в исследуемой воде. При содержании меди более 0,001 мг ее связывают в комплекс добавлением серноватистокислого натрия из расчета на каждые 10 мкг меди в исследуемой воде 5 мл 20 %-ного раствора Na₂S₂O₃. При содержании окисного железа более 0,05 мг и закисного 0,03 мг в пробе исследуемой воды необходимо воду предварительно разбавить очищенной дистиллированной водой и затем профильтровать через плотный фильтр, промытый горячей дистиллированной водой.

100 мл исследуемой воды, подкисленной при отборе (если исследуемая вода не была подкислена, ее подкисляют 2 - 3 каплями очищенной НСl (1: 1), помещают в делительную воронку вместимостью 150 - 200 мл. Добавляют 5 мл буферного раствора, перемешивают, приливают 1 мл 20 %-ного раствора серноватистокислого натрия и снова перемешивают. Добавляют из бюретки 4 мл 0,002 %-ного рабочего раствора дитизона в четыреххлористом углероде и энергично встряхивают в течение 2 мин. Окраска раствора дитизона в зависимости от содержания цинка изменяется от зеленой до красной. Ставят воронку вертикально в штатив и ожидают расслоения жидкостей. Экстракт дитизоната сливают в колориметрическую пробирку с притертой пробкой. К водному раствору в делительной воронке приливают вновь 2 мл раствора дитизона. Энергично встряхивают в течение 2 мин и после разделения жидкостей сливают слой дитизоната цинка в ту же пробирку.

Перемешивают и сравнивают со стандартной шкалой, приготовленной в тех же условиях.

Для приготовления стандартной шкалы отбирают 0,0; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 и 5,0 мл рабочего стандартного раствора Zn (1 мл раствора содержит 1 мкг Zn²⁺), доводят объем дистиллированной водой до 100 мл и обрабатывают так же, как исследуемую воду. Образцы шкалы соответственно будут содержать 0,0 - 0,5 - 1,0 - 2,0 - 3,0 - 4,0 - 5,0 мкг Zn²⁺.

Шкала устойчива в течение трех суток при хранении в темном месте.

Если концентрация цинка в исследуемой воде не превышает 50 мкг/л, весь цинк из исследуемой воды обычно переходит в дитизонат при первом встряхивании. Цвет раствора дитизона при повторном экстрагировании остается зеленым. Если цвет раствора дитизона будет иметь иную окраску, то это значит, что в воде содержится цинка более 50 мкг/л. В этом случае определение повторяют, отбирая для анализа 50 - 25 мл исследуемой воды. При этом количество прибавляемого буферного раствора и серноватистокислого натрия остается прежним. Если необходимо брать еще меньшее количество исследуемой воды, ее нужно разбавлять очищенной дистиллированной водой до объема 25 мл. При малых концентрациях цинка в исследуемой воде (0,5 - 1,0 мкг в исследуемой воде) экстракцию следует производить более разбавленным раствором дитизона (0,001 %). При первой экстракции добавляют 3 мл 0,001 %-ного раствора дитизона, второй раз 1 мл.

Полученные экстракты сливают вместе в пробирку с притертой пробкой и колориметрируют. Стандартную шкалу (0,5 - 1,0 мкг Zn²⁺) готовят в тех же условиях.

Заключение

Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки. На мой взгляд, спектральный метод анализа наиболее полно позволяет определять состав вещества. Результат анализа зависит от многих критериев: целей анализа, типов спектров, точности анализа. Позволяет получать элементарный или молекулярный состав, что является важным в определении металлов в органических биоиндикаторах. Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии в определённых местах, характерных для каждого вещества. Что свидетельствует о точности метода.

Список литературы

1. Основы аналитической химии. Кн. 2. Методы химического анализа. / Под ред. Ю. А. Золотова. 2-е изд. М.: Высшая школа, 2004.

2. Спектроскопические методы определения следов элементов. / Под ред. Дж. Вайнфорднера. М.: Мир, 1979.

3. Д. Юинг Инструментальные методы химического анализа. М.: Мир, 1989.

4. Аналитическая химия. Проблемы и подходы: В 2 т. /под ред. Р. Кельнера, Ж-М. Мерме, М. Отто, Н. Видмера. М.: Мир: ООО " Издательство АСТ". 2004.

5. Е. Н. Дорохова, Г. В. Прохорова Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа. М.: Высшая школа, 1991.

6. Н. Ф Лосев, А. Н. Смагунова Основы рентгеноспектрального флуоресцентного анализа. М.: Химия, 1982.

7. Дж. Гоулдстейн Растровая электронная микроскопия и рентгеновский анализ. М.: Мир, 1984.

8. Методы анализа поверхностей / Под ред. А. Зандерны. М.: Мир, 1979.

9. Анализ поверхности методами ож е - и рентгеновской фотоэлектрон-ной спектроскопии. / Под ред. Д. Бриггса, М. П. Сиха. М.: Мир, 1987.

10. Л. Фелдман, Д. Майер Основы анализа поверхности и тонких пленок. М.: Мир, 1989.

11. Л. В. Левшин, А. М. Салецкий Оптические методы исследования молекулярных систем. Ч. 1. Молекулярная спектроскопия. М.: Изд-во МГУ. 1994.

12. Я. Рабек Экспериментальные методы в фотохимии и фотофизике. Т. 2. М.: Мир. 1985.

13. А. П. Головина, Л. В. Левшин Химический люминесцентный анализ неорганических веществ. М.: Химия. 1978.

14. К. П. Столяро, Н. Н Григорьев. Введение в люминесцентный анализ неорганических веществ. Л.: Химия. 1967.

15. С. Паркер Фотолюминесценция растворов. М.: Мир. 1972.

16. Дж Барлтроп, Дж Кейл Возбужденные состояния в органической химии. М.: Мир. 1978.

17. Н. С Полуэктов., Н. П. Ефрюшкина Определение микроколичеств лантаноидов по люминесценции кристаллофосфоров. Киев: Наукова думка. 1978.