Размер: px

Начинать показ со страницы:

Транскрипт

1 МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ физико-химических измерений Под метрологическим обеспечением (МО) понимается установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерении. Понятие "метрологическое обеспечение" применяется, как правило, по отношению к конкретному виду измерений в целом (например, метрологическое обеспечение физико-химических измерений), в то же время иногда используют этот термин применительно к технологическим процессам производства, подразумевая при этом метрологическое обеспечение измерений в данном процессе производства. Основной целью разработки метрологического обеспечения являются обеспечение требуемой точности измерений. Задачами, которые необходимо решить в процессе разработки метрологического обеспечения являются: определение измеряемых параметров и необходимой точности измерений; обоснование и выбор СИ, испытаний и контроля; стандартизация и унификация используемой контрольно-измерительной техники; разработка и аттестация методик выполнения измерения (МВИ); поверка, метрологическая аттестация и калибровка контрольно-измерительного и испытательного оборудования; контроль за состоянием, применением и ремонтом СИ, а также за соблюдением метрологических правил и норм на предприятии; разработка и внедрение стандартов предприятия; внедрение международных, государственных и отраслевых стандартов, а также иных нормативных документов Ростехрегулирования; проведение метрологической экспертизы проектов нормативной, конструкторской и технологической документации; проведение анализа состояния измерений; подготовка работников соответствующих служб и подразделений предприятия к выполнению контрольно-измерительных операций. Метрологическое обеспечение включает в себя четыре составляющих: научную, организационную, нормативную и техническую. Разработка и проведение мероприятий Метрологическое обеспечение возложено на метрологические службы. В качестве научной основы в физико-химических измерениях используется метрология, а именно те разделы, где рассматриваются физико-химические методы измерений.

2 Метрологическое обеспечение физикохимических измерений Научны е основы Техническ ие основы Норматив ные основы Организа ционные основы Методы физикохимичес кого анализа, физичес кая химия, аналити ческая химия Метрол огия Государственн ая система единства и измерени Закон об единстве измерени й Эталонные и рабочие СИ Государ ственны е эталоны Установ ки высокой точност и Рабочие средства измерен ия Стандар тные образцы Организацио нные основы Государс твенные и ведомств енные метролог ические

3 Область физико-химических измерений охватывает группу величин, характеризующих: химический состав и структуру веществ: растворов, смесей, коллоидных систем; физические свойства веществ, непосредственно зависящие от их химического состава; В международном стандарте ИСО 31/8 (1992 г.) Величины и единицы. Физическая химия и молекулярная физика" приведены 65 наиболее важных с практической точки зрения измеряемых физико-химических величин Среди них количество вещества", единица которого моль является одной из семи основных единиц СИ, а также постоянные Авогадро, Фарадея, Больцмана, универсальная газовая постоянная и др. Наиболее распространенные величины в практике физико-химических измерений (ФХИ), представлена в таблице. Измеряемая величина Обозначен ие Типичные объекты исследований Массовая концентрация Воздух, промышленные выбросы, вода компонента мг/м 3 Молярная концентрация Биологические жидкости компонента моль/м 3 Массовая доля компонента (в том числе влаги) Объемная доля компонента Минеральное сырье, металлы и %, млн -1 сплавы, древесина, зерно и зернопродукты, пищевые продукты, природный газ, почва %,млн -1 Технологические газовые среды, дыхательные смеси, чистые газы; жидкие пищевые продукты Плотность Нефтепродукты, кг/м 3 строительные материалы, природный газ, пищевые продукты Кинематическая вязкость м 2 /с Нефтепродукты, лаки, краски, Динамическая вязкость растворители Строительные растворы, каучуки, Па-с пищевые продукты Удельная электрическая Морская вода проводимость РН См/м Отн.ед. Водные растворы, промышленные стоки Поверхностное натяжение Н/м Краски, латексы Показатель преломления - Стекла, химические и фармацевтические продукты Угол вращения плоскости поляризации

4 оптического излучения рад Сахаросодержащи е растворы, фармацевтически е препараты Относительная Электроизоляционные материалы, диэлектрическая Отн.ед. проницаемость органические растворители Применение величин, характеризующих состав и структуру, как правило, связано с указанием химической природы компонента и объекта исследования. Примеры: массовая концентрация диоксида серы в атмосферном воздухе (мг/м 3); массовая доля углерода в чугуне (%). При исследовании природных систем, контроле качества сырья и продукции часто измеряются величины, которых применяются ограничено только для конкретной группы объектов. Примеры: кислотное число рыбьего жира масса гидроксида калия (мг), необходимого для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 грамме исследуемого жира; относительная влажность воздуха (%) отношение массовой концентрации водяных паров к их массовой концентрации в состоянии насыщения (при тех же значениях температуры и давления воздуха). Физико-химические измерения (ФХИ) базируются на достижениях физической и аналитической химии, воплощенных в средствах и методиках выполнения измерений. Область ФХИ частично пересекается с областью измерений оптических, теплофизических, магнитных и др. величин. В то же время область ФХИ величин, характеризующих химический состав веществ и материалов, по своим задачам совпадает с прикладным разделом аналитической химии количественным химическим анализом,где изучаются различные физико-химические методы анализа. Все физико-химические методы анализа принято подразделять на следующие группы: - электрохимические; - оптические; - хроматографические; Дадим краткую характеристику каждой группе рассматриваемых методов анализа. Электрохимические методы. - В соответствии с видом измеряемой величины, электрохимические методы анализа делятся на пять групп: потенциометрические, вольтамперометрические, кулонометрические, кондуктометрические и диэлькометрические. Потенциометрия объединяет методы определения различных физико химических величин и концентрации веществ, основанных на измерении электродвижущих сил (э. д. с.) электрохимических цепей. Основы потенциометрии были заложены В. Нерстом, который в 1889 г. получил уравнение для равновесных электродных потенциалов. Сначала потенциометрия стала применяться в аналитической химии, а затем и в физической химии. Вольтамперометрия. Этот термин появился в электрохимических измерениях в 40-х годах прошлого века. Он объединяет методы исследования зависимости тока поляризации от напряжения поляризации, прикладываемого к исследуемой электрохимической ячейке, когда рабочий электрод имеет потенциал, значительно отличающийся от равновесного значения. Вольтамперометрия по разнообразию методов является наиболее значительной областью электорохимических методов анализа и в настоящее время ее методы широко используются в аналитической химии для определения концентрации веществ в растворах и при проведении физико химических испытаний.

5 Кулонометрия объединяет методы анализа, основанные на законе Фарадея, открытого в 1884 г., устанавливающем связь между количеством вещества, выделившегося на электродах в процессе электрохимической реакции и количеством затраченного при этом электричества. Закон Фарадея для целей анализа впервые применил Гроуер в 1917 г. Однако широкое применение кулонометрия получила только с 30-х годов прошлого века. Кондуктометрия. Этот метод объединяет методы определения физико химических величин и методы анализа, основанные на измерении электропроводности электролитов, т. е. ионных проводников, находящихся в виде водных и неводных растворов, коллоидных веществ или расплавов. Таким образом, в отличие от предыдущих методов, кондуктометрический анализ основан только на измерении концентрации ионов в между электронном пространстве и не связан с изменением равновесного потенцала. Хотя первые измерения электропроводности произвел Ом пимерно 150 лет назад, основоположником кондуктометрического метода следует считать Кольрауша, который в 1869 году разработал теорию и методы измерения электропроводности электролитов. Диэлькометрия. Под этим термином объединяются методы анализа, основанные на измерении диэлектрической проницаемости веществ, которая отражает зависимость диэлектрической поляризации от изменения концентрации, структуры или состава межэлектродной среды. В отличии от кондуктометрии, диэлькометрия не связана с поступательным перемещением заряженных частиц под действием электрического поля, а отражает эффект ориентации дипольных частиц под действием постоянного или переменного электрического поля. Аналитические возможности диэлектрометрии растворов близки к возможностям кондуктометрии. Методы диэлектрометрии удобны для контроля чистоты диэлектриков, а также анализа многокомпонентных систем. Методы измерения диэлектрической проницаемости жидкостей были разработаны более 75 лет назад (Друде, Нернст), однако активно стали применяться начиная с 50 годов прошлого века. Оптические методы. Оптические методы анализа основаны на изучении спектров излучения, поглощения и рассеивания. К этой группе относятся: 1. эмиссионный спектральный анализ изучение эмиссионных спектров элементов анализируемого вещества. Этот метод дает возможность определить элементный состав вещества; 2. абсорбционный спектральный анализ изучение спектров поглощения исследуемого вещества. Различают исследование в ультрафиолетовой, в видимой и в инфракрасной областях спектра. Абсорбционный спектральный анализ включает методы: - спектрофотометрический, - колориметрический. Спектрофотометрия - определение спектра поглощения при строго определенной длине волны, которая соответствует максимуму кривой поглощения данного исследуемого вещества. Колориметрия - визуальное сравнение интенсивностей окрасок исследуемого окрашенного раствора и стандартного окрашенного раствора определенной концентрации. К оптическим методам анализа также относятся: 3. турбидиметрия измерение количества света, поглощаемого неокрашенной суспензией; 4. нефелометрия использование явлений отражения или рассеивания света окрашенными или неокрашенными частицами взвешенного в растворе осадка; 5. люминисцентный, или флуорисцентный, анализ - основан на флуоресценции веществ, облученных ультрафиолетовым светом, и измерении интенсивности излучаемого или видимого света;

6 6. фотометрия пламени распыление анализируемого раствора в пламени, выделение характерной для данного элемента световой волны и измерение интенсивности излучения. 3. Хроматографические методы. Хроматографические методы количественного анализа основаны на избирательном поглощении (адсорбции) отдельных компонентов анализируемой смеси различными адсорбентами. Они широко применяются для разделения близких по составу и свойствам неорганических и органических веществ. Специфика физико-химических измерений связана с многообразием измерительных задач, применяемых для их решения методов и средств, вариантов обеспечения единства измерений. Эталоны в этой области измерений имеют самую разную техническую реализацию: от сложных измерительных комплексов до образцов веществ, стабильных в отношении воспроизводимых ими величин. Эталоны можно подразделить на две группы. Первую группу составляют эталоны, не входящие в иерархические системы эталонов и СИ. К таким эталонам относятся многие стандартные образцы соста- ва и свойств веществ (Certified reference material). Имеются в виду стандартные образцы разового изготовления; характеристики таких образцов устанавливаются по результатам специально спланированных аттестационных экспериментов (в том числе межлабораторных экспериментов). В некоторых случаях подобные образцы приготавливаются путем смешивания определенных количеств чистых веществ, при этом размер воспроизводимой образцом единицы величины устанавливается на основе уравнения, связывающего непосредственно измеряемые величины: массу, объем и др., а также справочные данные, относящиеся к свойствам смешиваемых чистых веществ. Ряд подобных эталонов создается научными метрологическими центрами, однако чаще роль центров сводится к экспертизе результатов аттестационных исследований, выполненных в других организациях. Вторую группу составляют эталоны, являющиеся элементами иерархических систем. Создание систем соподчиненных эталонов это широко распространенный путь обеспечения единства при измерениях геометрических, механических, электрических величин. В России подобные системы дифференцируются по группам средств измерений и описываются специальными нормативными документами поверочными схемами. В области физико-химических измерений в настоящее время действует 10 поверочных схем (см. таблицу). При существенных отличиях в содержательной части эти схемы имеют ряд общих структурных признаков. Это позволяет нам представить функционирующие в России иерархические системы эталонов в виде обобщенной поверочной схемы.

7 Высшим звеном системы является государственный первичный эталон единицы величины, характеризующей физико-химические свойства либо химический состав группы объектов (жидкостей, растворов, газовых сред и т.п.). Государственный первичный эталон представляет собой комплекс измерительной и вспомогательной аппаратуры, обеспечивающей воспроизведение единицы величины с наивысшей в стране точностью. При этом реализуются методы измерений, основанные на хорошо изученных зависимостях между данной величиной и другими величинами (чаще всего, такими как масса, объем, время, сила тока и т.п.). Ответственными за создание и эксплуатацию таких эталонов являются государственные научные метрологические центры. Передача размера единицы величины от первичного эталона подчиненным элементам системы осуществляется двумя способами. Один

8 из них соответствует непосредственной стыковке элементов системы, другой связан с использованием образцов веществ и материалов. На следующем уровне в иерархии эталонов находятся вторичные эталоны. Эти эталоны также представляют собой комплексы аппаратуры. Вторичные эталоны, включенные в левую ветвь, находятся в отдельных региональных поверочных центрах, а также в некоторых приборостроительных фирмах. В правой ветви схемы показаны вторичные эталоны, применяемые крупными изготовителями стандартных образцов (в том числе, стандартных образцов высокой точности). Связь между этими эталонами и первичным эталоном осуществляется с помощью специальных образцов веществ, имеющих статус эталонов сравнения. Включение в схему вторичных эталонов обусловлено территориальными особенностями России, стремлением к сокращению затрат на транспортирование эталонов. Третий иерархический уровень представлен рабочими эталонами. В левую ветвь включены рабочие эталоны, непосредственно применяемые для калибровки и поверки средств измерений. Эти эталоны находятся в многочисленных метрологических службах, расположенных во всех регионах страны. В правую ветвь схемы включены рабочие эталоны (измерительные установки и приборы), применяемые при массовом выпуске стандартных образцов. Важной особенностью представленной иерархической системы является ее пирамидальной характер: при переходе от верхнего к последующим уровням поверочной схемы нарастает количество применяемых эталонов. В этом отношении, особенно характерна поверочная схема для средств измерений содержания компонентов в газовых средах. При создании этой схемы было учтено то обстоятельство, что для различных измерительных задач оптимальным оказывается разное количество уровней в иерархии эталонов. В связи с этим измерительные задачи были классифицированы на группы: А, В, С. С помощью государственного первичного эталона, функционирующего в институте метрологии им. Д.И. Менделеева, централизовано воспроизводят единицы молярной доли и массовой концентрации компонентов для задач группы А. В эту группу включены массовые измерительные задачи, требования к точности измерений в этих задачах установлены международными соглашениями и государственными стандартами. В качестве примера укажем на задачу измерения содержания оксида углерода и оксидов азота в выхлопах автотранспорта. Институт выпускает эталоны сравнения 15 композиций газов в специализированных баллонах (а также 22 типа источников микропотоков газов и паров (Permatlon tube")). На уровне вторичных эталонов решаются как задачи

9 группы А, так и задачи группы В. К этой группе относят измерительные задачи межотраслевого характера, как правило, менее сложные с точки зрения эталонирования, чем задачи группы А. Примером служит задача измерения водорода в воздухе. На основе вторичного эталона заводы в г. Б Таблица. Поверочные схемы в области физико-химических Измеряемая величина Год создания Количество уровней в иерархии эталонов Плотность жидкостей Кинематическая вязкость Объемное влагосодержание нефти и Влажность зерна и зернопродуктов Влажность неводных жидкостей Относительная влажность газов Содержание компонентов в газовых средах Удельная электрическая проводимость

Аналитические методы исследования состояния окружающей среды 1. Цель и задачи дисциплины Целью освоения дисциплины «Аналитические методы исследования состояния окружающей среды» является овладение основами

Водянкин Алексей Юрьевич кафедра ХТРЭ Физикохимические методы анализа Метод анализа Достаточно универсальный и теоретически обоснованный способ определения состава безотносительно к определяемому компоненту

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» А Н Н

Приложение А-1. Тесты текущего контроля успеваемости Вопросы к модулям: 1. В методе прямой потенциометрии в качестве пары электродов выбраны стеклянный и хлорсеребряный электроды. Какие ионы можно определить

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМ МЕТОДАМ ИССЛЕДОВАНИЯ (КИМ) ТЕМА «ХРОМАТОГРАФИЯ» 1. Основоположником хроматографических методов разделения является: а) Д.И. Менделеев; б) Н.А. Измайлов; в) М.С. Цвет;

1 Учебно-методическое объединение высших учебных заведений Республики Беларусь по химико-технологическому образованию Учебно-методическое объединение высших учебных заведений Республики Беларусь по образованию

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Ý. À. Àëåêñàíäðîâà, Í. Ã. Ãàéäóêîâà ÀÍÀËÈÒÈ ÅÑÊÀß ÕÈÌÈß ÊÍÈÃÀ 1. ÕÈÌÈ ÅÑÊÈÅ ÌÅÒÎÄÛ ÀÍÀËÈÇÀ Ó ÅÁÍÈÊ È ÏÐÀÊÒÈÊÓÌ ÄËß ÑÏÎ 2-å èçäàíèå, èñïðàâëåííîå è äîïîëíåííîå

ГОСТ Р 8.589-2001 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРЕЦИИ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ КОНТРОЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Ý. À. Àëåêñàíäðîâà, Í. Ã. Ãàéäóêîâà ÀÍÀËÈÒÈ ÅÑÊÀß ÕÈÌÈß ÊÍÈÃÀ 2. ÔÈÇÈÊÎ-ÕÈÌÈ ÅÑÊÈÅ ÌÅÒÎÄÛ ÀÍÀËÈÇÀ Ó ÅÁÍÈÊ È ÏÐÀÊÒÈÊÓÌ ÄËß ÑÏÎ 2-å èçäàíèå, èñïðàâëåííîå è

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ Спектрофотометрия в ОФС.1.2.1.1.0003.15 ультрафиолетовой и Взамен ОФС ГФ X, ОФС ГФ XI, видимой областях ОФС 42-0042-07 ГФ XII,

К занятию 02.09.14. Методические указания к занятию 1 ВВОДНОЕ ЗАНЯТИЕ 1. Знакомство с правилами работы в лабораториях кафедры физики; правилами пожарной и электробезопасности; 2. Обсуждение особенностей

ПОЛОЖЕНИЕ О СИСТЕМЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА И ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ В ЯДЕРНОМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ ГОСУДАРСТВЕННОЙ КОРПОРАЦИИ ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ «РОСАТОМ» Заместитель руководителя Федерального агентства

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Лицей» города Абакана Секция химия ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ РАСТВОРОВ НЕКОТОРЫХ КИСЛОТ

Анализатор нефтепродуктов, жиров и НПАВ в водах КОНЦЕНТРАТОМЕР КН-2м НАЗНАЧЕНИЕ Концентратомер КН-2м предназначен для измерения массовых концентраций: нефтепродуктов в пробах питьевых, природных, сточных

ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» ИТС НДТ «Общие принципы производственного экологического контроля и его метрологического обеспечения» Раздел «Требования к метрологическому обеспечению системы производственного

Разработка комплекса государственных стандартов в области стандартизации контроля вредных промышленных выбросов Попов О.Г. ст.н.сотр. отдела госэталонов в области физико-химических измерений ФГУП «ВНИИМ

2 СОДЕРЖАНИЕ стр. Содержание 2 Предисловие 4 Стандартные образцы нефти и нефтепродуктов 5 Перечень стандартных образцов 6 1 Стандартные образцы вязкости жидкости (ГСО РЭВ) 8 2 Стандартные образцы плотности

ЗАКОНОДАТЕЛЬНАЯ И ПРИКЛАДНАЯ МЕТРОЛОГИЯ Лекция 1 СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ В РЕСПУБЛИКЕ БЕЛАРУСЬ Законодательная метрология - раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных

Лекция 10 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ 10.1 Цели и направления анализа Анализ состояния измерения проводится в следующих целях: 1 2 установление соответствия современным требованиям средств и методов измерений;

Лекция 1. Введение. Предмет и задачи аналитической химии. 1.Предмет и задачи аналитической химии. Структура современной аналитической химии. 2.Классификации видов анализа. 3.Методы аналитической химии.

В аналитических лабораториях стр. 1 из 7 Ассоциация аналитических центров «Аналитика» «УТВЕРЖДАЮ» Управляющий Органом по аккредитации ААЦ «Аналитика» И.В. Болдырев 2008 г. Политика Органа по аккредитации

Приложение к свидетельству 57220 Лист 1 об утверждении типа средств измерений ОПИСАНИЕ ТИПА СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ Анализаторы жидкостей промышленные «КВАРЦ 2» Назначение средства измерений Анализаторы жидкости

Электрохимия (лекции, #14) Доктор химических наук, профессор А.В. Чуриков Саратовский государственный университет имени Н.Г.Чернышевского Институт химии Зависимость ёмкости ДЭС от потенциала и концентрации

Содержание Предисловие редактора... 3 Введение... 5 Часть I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ХИМИИ Раздел 1. Основные понятия и законы химии 1.1. Определение и предмет химии...9 1.2. Первоначальные сведения о строении атомов.

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие....................................... 6 Список обозначений и сокращений.................... 9 Глава 1 Атомно-эмиссионный анализ......................... 11 Физические основы атомного

СПЕЦИФИКАЦИЯ теста по учебному предмету «Химия» для проведения централизованного тестирования в 2018 году 1. Назначение теста объективное оценивание уровня подготовки лиц, имеющих общее среднее образование

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ БИЛЕТЫ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ИТОГОВОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ХИМИИ ПО ПРОГРАММАМ ОСНОВНОГО ОБЩЕГО ОБРАЗОВАНИЯ в 2018 году БИЛЕТ 1 1. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.

Спектрометрия в инфракрасной области ОФС.1.2.1.1.0002.15 ВзаменГФХ Взамен ст. ГФ XI, вып.1 Взамен ГФ XII, ч.1, ОФС 42-0043-07 Инфракрасные спектры (колебательные спектры) (ИК-спектры) возникают вследствие

Шулина Ж.М. Химия [Электронный ресурс] : электронный учебнометодический комплекс / Ж.М. Шулина, О.Ю. Ковалик, Ю.В. Горюшкина; Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк: СибГИУ, 2010. - 1 электрон.опт.диск

КУЛОНОМЕТР «Эксперт 006» 23192 в Госреестре СИ РФ Универсальный прецизионный кулонометр для решения широкого круга химико-аналитических задач по определению массы вещества, содержащегося в растворе в форме

1. Место учебной дисциплины (модуля) в структуре образовательной программы Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО по направлению подготовки 09.03.02 «Информационные системы и технологии»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ АММОНИЯ В ВОДЕ. Зачем нужно знать содержание аммония в питьевой воде, воде бассейна. Присутствие иона аммония свидетельствует о наличии в воде органического вещества животного происхождения.

Химия 1. Первоначальные химические понятия. Предмет химии. Тела и вещества. Основные методы познания: наблюдение, измерение, описание, эксперимент. Физические и химические явления. Правила безопасности

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6 по дисциплине ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЯ Фотоколориметрический анализ (молекулярная абсорбционная спектроскопия) относится к оптическим

ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ЛЕЧЕБНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ, ВМФ ЗАНЯТИЕ 1 Тема: Вводное занятие Техника безопасности. Гидролиз солей. Реакции комплексообразования. г., стр. 94-146. ЗАНЯТИЕ 2 Тема: Введение в титриметрические

Федеральный комплект учебников Начальное профессиональное образование Металлообработка Контрольноизмерительные приборы и инструменты УДК 681 ББК 20.4.1 К64 Рецензенты: преподаватель спецдисциплин Я, В.

Лекц ия 15 Электропроводность электролитов Вопросы. Электролиты. Электролитическая диссоциация. Подвижность ионов. Закон Ома для электролитов. Электролиз. Законы Фарадея. Определение заряда иона. 15.1.

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Приемная

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ ОСНОВНОГО ОБЩЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ПО ХИМИИ Изучение химии в основной школе направлено на достижение следующих целей: освоение важнейших знаний о химической символике, химических понятиях,

ФЕ Д Е Р А Л Ь НОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ СВИДЕТЕЛЬСТВО ш об у тв е р ж д е н и и типа средств изм ерений RU.С.31.001.А 23577 Срок действия д о 17 июля 2017 г. НАИМЕНОВАНИЕ

Календарно-тематическое планирование Предмет: Химия Класс: 8 Часов в неделю: 2 Всего часов за год: 72 I триместр. Всего недель: 10,6, всего часов: 22. урока 1 Раздел, тема урока Кол-во часов на тему Введение

I.Планируемые результаты освоения обучающимися основной образовательной программы основного общего образования по химии Выпускник научится: характеризовать основные методы познания: наблюдение, измерение,

Лекция 4 Спектроскопические методы анализа План лекции 1. Классификация спектральных методов. 2. Атомно-эмиссионный спектральный анализ. 3. Атомно-абсорбционная спектрометрия. 4. Молекулярная абсорбционная

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ УКРАИНЫ Запорожский государственный медицинский университет Кафедра аналитической химии ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА Модуль 2 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ И ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ЗАО «АКВИЛОН» МЕТОДЫ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА продовольственное сырье и пищевые продукты МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ МАССОВОЙ ДОЛИ КАДМИЯ, СВИНЦА, МЕДИ И ЦИНКА В ПИЩЕВОЙ ПРОДУКЦИИ МЕТОДОМ

Измерение водородного показателя воды (рн) потенциометрическим методом Зачем нужно знать значение рн питьевой воды, воды для умывания и купания? Водородный показатель является важной характеристикой качества

Электрохимия (лекции, #5) Доктор химических наук, профессор А.В. Чуриков Саратовский государственный университет имени Н.Г.Чернышевского Институт химии Применение теории Дебая Хюккеля к слабым электролитам

2 Планируемые результаты освоения учебного предмета В результате изучения химии ученик должен знать/понимать: химическую символику: знаки химических элементов, формулы химических веществ и уравнения химических

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ БИЛЕТЫ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ИТОГОВОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ХИМИИ ПО ПРОГРАММАМ ОСНОВНОГО ОБЩЕГО ОБРАЗОВАНИЯ Билет 1 1. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева и строение атомов:

Федеральное бюджетное учреждение «Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в области» (ФБУ «ЦСМ») Паспорт 1.7-0015 государственного эталона единицы 3 разряда номинальных

1 И.А.Тюльков МГУ им. М.В.Ломоносова ТРУДНАЯ ЗАДАЧА? НАЧНЕМ ПО ПОРЯДКУ... В этой статье рассмотрим несколько задач по теме «Электролиз» из числа тех, что предлагались на вступительных экзаменах по химии

Метрологическая служба ОАО «Концерн Росэнергоатом» Кириллов И.А., главный метролог ОАО «Концерн Росэнергоатом» -начальник НИЦМ ТФ «Российский концерн по производству электрической и тепловой энергии на

ЛЕКЦИЯ 2 Общие вопросы основ метрологии и измерительной техники В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время

АНАЛИЗ СПЕКТРА ПОГЛОЩЕНИЯ ОКРАШЕННОГО ВЕЩЕСТВА Левин С.С. Кубанский Государственный Технологический Университет Краснодар, Россия Свойство молекул и атомов поглощать свет определенной длины волны, характерных

Приложение к свидетельству 42340 лист 1 об утверждении типа средства измерений всего листов 4 ОПИСАНИЕ ТИПА СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ Анализаторы ртути моделей Mercur, Mercur Plus, Mercur AA, Mercur AA Plus,

УДК 621.446 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ КЮВЕТЫ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СТОЧНЫХ ВОДАХ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ Кочергин А.Г. студ.; Борисов

Рекомендации по использованию ЭОР портала ФЦИОР в соответствии с дидактическими единицами ГОС и темами учебника 8-го класса Тема Методы познания веществ и химических явлений Вещество Содержание Образовательного

WorldSkills Russia Конкурсное задание Лабораторный химический анализ Компетенция: Модули: «Лабораторный химический анализ» «Контроль качества неорганических веществ» «Контроль качества органических веществ»

1 2 1. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю) соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы 1.1 Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине

СТАНДАРТ ОСНОВНОГО ОБЩЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ПО ХИМИИ Изучение химии на ступени основного общего образования направлено на достижение следующих целей: освоение важнейших знаний об основных понятиях и законах

Планируемые результаты освоения учебного предмета «Химия» Требования к уровню подготовки выпускников В результате изучения химии ученик должен: знать/понимать: - химическую символику: знаки химических

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на то, что методы обычного химического анализа позволяют устанавливать состав самых сложных соединений, в некоторых случаях они все же оказываются недостаточными. Обусловлено это тем, что для установления состава путем химического анализа необходимо прежде всего выделить изучаемое вещество в индивидуальном состоянии. Если такое выделение почему-либо невозможно, то неприменимыми становятся и методы химического анализа.

Большую помощь могут в подобных случаях оказать физические методы исследования. Тщательно изучая ход изменения физических свойств той или иной системы по мере изменения ее состава или внешних условий, часто удается не только обнаруживать само наличие в ней химических превращений, но и следить за протеканием последних и получать определенные указания относительно их характера и состава образующихся продуктов. Обнаружение и изучение происходящих в системе химических изменений путем исследования ее физических свойств и составляет предмет физико-химического анализа. Обобщенная трактовка физико-химического анализа как самостоятельной научной дисциплины была дана Н. С. Курнаковым (1913 г.).

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Особенности измерения состава веществ и материалов

Основной отличительной особенностью физико-химических измерений является важная роль процесса подготовки пробы к анализу. При хранении пробы, при ее транспортировке от места забора к аналитическому прибору и в самом процессе анализа возможны самые разнообразные трансформации состава. К таким трансформациям могут привести изменения температурного режима, изменения влажности, давления. Важным моментом является так называемое влияние третьей компоненты на результат анализа. В химии хорошо известен каталитический эффект - то есть влияние на скорость химических реакций веществ, не участвующих в химических превращениях, но изменяющих скорость их протекания, а в ряде случаев определяющих конечный результат химической реакции.

В ряде случаев необходимая информация о составе вещества может быть получена только с использованием измерения нескольких свойств, например, массы и теплопроводности или массы и показателя преломления.

Возможность определять состав веществ и материалов по различным свойствам отражается на методах оценки систематических погрешностей. В самом деле, использование различных уравнений измерения для определения одной и той же величины, например концентрации какого-либо компонента в смеси газов, жидкостей или твердых тел позволяет с большей степенью достоверности определять состав вещества.

Еще одной отличительной особенностью физико-химических измерений является разнообразие методов и приборов для определения микроконцентраций и макроконцентраций одного и того же компонента в определенной среде. Под этим термином здесь подразумевается, что в зависимости от относительного содержания компонента в смеси нужно использовать в ряде случаев совершенно разные подходы.

Классификация методов аналитической химии

Принцип определения химического состава вещества любым методом сводится к тому, что состав вещества определяется по его свойствам.

Любое свойство вещества, которое можно использовать для установления качественного или количественного состава объекта, называется аналитическим сигналом. Все методы аналитической химии основаны на получении и измерении аналитического сигнала.

В зависимости от принципа получения аналитического сигнала все методы аналитической химии делятся на 3 основные группы:

1. Химические методы анализа.

2. Физические методы анализа.

3. Биологические методы анализа.

Кроме того, различают ещё 3 группы комбинированных (переходных) методов анализа:

1. Физико-химические методы анализа основаны на измерении физических свойств веществ, которые появляются или изменяются в результате химических реакций. При этом сначала проводят реакцию, а затем измеряют физическое свойство продукта реакции или используют измерение физического свойства в ходе реакции для установления конечной точки титрования.

2. Биофизические методы анализа.

3. Биохимические методы.

По физическим свойствам анализируемой среды физико-химические измерения делятся на: анализ состава газов, анализ состава жидкостей и анализ состава твердых тел.

Применяются также физико-химические способы анализа: колориметрия (изменение интенсивности окраски цветного соединения, получаемого по аналитической реакции), турбудиметрия, нефелометрия (изменение интенсивности света, проходящего через суспензию осадка, полученного в результате аналитической реакции, или рассеянного им), полярографические и адсорбционные методы.

Химические методы анализа иначе называют классическими, а физические и физико-химические методы анализа - инструментальными, так как проведение анализа с привлечением этих методов невозможно без использования измерительной аппаратуры.

Наибольшее значение имеют следующие группы инструментальных методов анализа:

Спектральные и другие оптические методы анализа, основанные на измерении оптических свойств и различных эффектов, наблюдаемых при взаимодействии вещества с электромагнитным излучением.

Электрохимические методы анализа, основанные на измерении электрических параметров.

Хроматографические методы анализа, основанные на использовании сорбции в динамических условиях, применяются для разделения и анализа однородных многокомпонентных смесей.

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Институт материаловедения и металлургии

Кафедра метрологии, стандартизации и сертификации

Реферат на тему:

«Измерение физико-химического состава веществ»

По дисциплине «Методы и средства измерения и контроля»

Преподаватель А.В. Матюхина

Студент гр. МтЗ-411102 А.В. Еремина

г. Екатеринбург, 2015

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Особенности измерения состава веществ и материалов

2 Классификация методов аналитической химии

2. ПРИЁМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕИЗВЕСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДАХ АНАЛИЗА

1 Метод градуировочного графика

2 Метод стандартов (метод молярного свойства)

3 Метод добавок

2.4 Инструментальное титрование

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

3.1 Кондуктометрия

2 Потенциометрия

3 Вольтамперометрия

4. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

1 Атомные эмиссионные спектры. Эмиссионная фотометрия пламени

4.2 Молекулярные абсорбционные спектры. Методы молекулярного абсорбционного анализа

4.3 Нефелометрия и турбидиметрия

4.4 Рефрактометрия

5. МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ

1 Ионный обмен

5.2 Хроматографические методы анализа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на то, что методы обычного химического анализа позволяют устанавливать состав самых сложных соединений, в некоторых случаях они все же оказываются недостаточными. Обусловлено это тем, что для установления состава путем химического анализа необходимо прежде всего выделить изучаемое вещество в индивидуальном состоянии. Если такое выделение почему-либо невозможно, то неприменимыми становятся и методы химического анализа.

Большую помощь могут в подобных случаях оказать физические методы исследования. Тщательно изучая ход изменения физических свойств той или иной системы по мере изменения ее состава или внешних условий, часто удается не только обнаруживать само наличие в ней химических превращений, но и следить за протеканием последних и получать определенные указания относительно их характера и состава образующихся продуктов. Обнаружение и изучение происходящих в системе химических изменений путем исследования ее физических свойств и составляет предмет физико-химического анализа. Обобщенная трактовка физико-химического анализа как самостоятельной научной дисциплины была дана Н. С. Курнаковым (1913 г.).

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1 Особенности измерения состава веществ и материалов

Основной отличительной особенностью физико-химических измерений является важная роль процесса подготовки пробы к анализу. При хранении пробы, при ее транспортировке от места забора к аналитическому прибору и в самом процессе анализа возможны самые разнообразные трансформации состава. К таким трансформациям могут привести изменения температурного режима, изменения влажности, давления. Важным моментом является так называемое влияние третьей компоненты на результат анализа. В химии хорошо известен каталитический эффект - то есть влияние на скорость химических реакций веществ, не участвующих в химических превращениях, но изменяющих скорость их протекания, а в ряде случаев определяющих конечный результат химической реакции.

В ряде случаев необходимая информация о составе вещества может быть получена только с использованием измерения нескольких свойств, например, массы и теплопроводности или массы и показателя преломления.

Возможность определять состав веществ и материалов по различным свойствам отражается на методах оценки систематических погрешностей. В самом деле, использование различных уравнений измерения для определения одной и той же величины, например концентрации какого-либо компонента в смеси газов, жидкостей или твердых тел позволяет с большей степенью достоверности определять состав вещества.

Еще одной отличительной особенностью физико-химических измерений является разнообразие методов и приборов для определения микроконцентраций и макроконцентраций одного и того же компонента в определенной среде. Под этим термином здесь подразумевается, что в зависимости от относительного содержания компонента в смеси нужно использовать в ряде случаев совершенно разные подходы.

1.2 Классификация методов аналитической химии

Принцип определения химического состава вещества любым методом сводится к тому, что состав вещества определяется по его свойствам.

Любое свойство вещества, которое можно использовать для установления качественного или количественного состава объекта, называется аналитическим сигналом. Все методы аналитической химии основаны на получении и измерении аналитического сигнала.

В зависимости от принципа получения аналитического сигнала все методы аналитической химии делятся на 3 основные группы:

Химические методы анализа.

Физические методы анализа.

Биологические методы анализа.

Кроме того, различают ещё 3 группы комбинированных (переходных) методов анализа:

1. Физико-химические методы анализа основаны на измерении физических свойств веществ, которые появляются или изменяются в результате химических реакций. При этом сначала проводят реакцию, а затем измеряют физическое свойство продукта реакции или используют измерение физического свойства в ходе реакции для установления конечной точки титрования.

Биофизические методы анализа.

Биохимические методы.

По физическим свойствам анализируемой среды физико-химические измерения делятся на: анализ состава газов, анализ состава жидкостей и анализ состава твердых тел.

Применяются также физико-химические способы анализа: колориметрия (изменение интенсивности окраски цветного соединения, получаемого по аналитической реакции), турбудиметрия, нефелометрия (изменение интенсивности света, проходящего через суспензию осадка, полученного в результате аналитической реакции, или рассеянного им), полярографические и адсорбционные методы.

Химические методы анализа иначе называют классическими, а физические и физико-химические методы анализа - инструментальными, так как проведение анализа с привлечением этих методов невозможно без использования измерительной аппаратуры.

Наибольшее значение имеют следующие группы инструментальных методов анализа:

спектральные и другие оптические методы анализа, основанные на измерении оптических свойств и различных эффектов, наблюдаемых при взаимодействии вещества с электромагнитным излучением.

электрохимические методы анализа, основанные на измерении электрических параметров.

хроматографические методы анализа, основанные на использовании сорбции в динамических условиях, применяются для разделения и анализа однородных многокомпонентных смесей.

ПРИЁМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕИЗВЕСТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДАХ АНАЛИЗА

Для определения неизвестной концентрации вещества по величине аналитического сигнала химики-аналитики используют несколько прямых и косвенных приёмов, общих для всех физических и физико-химических методов анализа.

1 Метод градуировочного графика

Метод градуировочного графика - это графический приём нахождения неизвестной концентрации (Сх) по величине аналитического сигнала пробы (Iх). Для проведения анализа готовят серию стандартных растворов, измеряют величины аналитического сигнала этих растворов и строят градуировочный график I = f(C). Затем в точно таких же условиях измеряют аналитический сигнал пробы Iх и по графику определяют концентрацию анализируемого вещества в пробе Сх.

2 Метод стандартов (метод молярного свойства)

Метод стандартов - это расчётный приём нахождения неизвестной концентрации. Он имеет две разновидности:

а) Метод одного стандарта. Для проведения анализа готовят один стандартный раствор с концентрацией определяемого вещества Сст, затем измеряют величины аналитического сигнала этого раствора (Iст) и пробы (Iх) в одинаковых условиях.

Неизвестную концентрацию рассчитывают по формуле:

3 Метод добавок

Сущность метода добавок заключается в том, что сначала измеряют аналитический сигнал пробы (Iх), а затем - аналитический сигнал той же пробы с добавкой стандартного раствора определяемого вещества (Iх+ст). Метод имеет две разновидности.

а) Метод однократной добавки является расчётным. Неизвестную концентрацию рассчитывают по формуле:

где С0ст - исходная концентрация стандартного раствора;ст - объём стандартного раствора, добавленный к пробе; х - объём пробы

б) Метод серии добавок является графическим. Для проведения анализа измеряют величины аналитического сигнала пробы и нескольких растворов той же пробы с добавками стандартного раствора. Строят график в координатах «Аналитический сигнал - концентрация добавки» и по нему находят Сх как величину отрезка, отсекаемого прямой на оси абсцисс.

4 Инструментальное титрование

При проведении анализа с использованием инструментального титрования измеряют какое-либо свойство раствора в процессе титрования. Кривые титрования получаются разными в зависимости от измеряемой величины.

Линейные кривые титрования получают, если аналитический сигнал линейно меняется при изменении концентрации вещества в растворе. К таким сигналам относятся, например, светопоглощение, сила тока, электрическая проводимость и др. Объём в точке эквивалентности находят по излому кривой.

Логарифмические кривые титрования получают, если аналитический сигнал связан с логарифмом концентрации вещества в растворе. К таким сигналам относятся, например, потенциал, рН и др. Точку эквивалентности находят по перегибу кривой.

В любом случае после построения кривой титрования и определения с её помощью объёма титранта, который потребовался для достижения точки эквивалентности, расчёт результатов анализа проводят по закону эквивалентов.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Электрохимические методы анализа (ЭХМА) основаны на использовании процессов, которые протекают на поверхности электродов или в приэлектродном пространстве. Аналитическим сигналом в ЭХМА может служить любой электрический параметр, связанный с составом раствора и концентрацией вещества в нём, например, потенциал (Е), сила тока (I), сопротивление (R), электрическая проводимость (W), количество электричества (Q). Названия конкретных методов чаще всего связаны с измеряемыми электрическими параметрами: потенциометрия, амперометрия, кондуктометрия и так далее.

В качестве устройств для измерения электрических параметров служат микроамперметры (измерение силы тока I), милливольтметры (измерение разности потенциалов Е), мосты переменного тока (измерение сопротивления R), кондуктометры (измерение электрической проводимости W) и другое. Внешние металлические проводники осуществляют связь электрохимической ячейки с устройством для измерения электрического параметра.

3.1 Кондуктометрия

Кондуктометрия является старейшим, самым простым и наименее селективным из электрохимических методов анализа. Кондуктометрический метод анализа основан на измерении электропроводности раствора:

где W - электропроводность раствора; - сопротивление раствора.

Таким образом, аналитическим сигналом могут служить либо электропроводность раствора, либо его сопротивление. Сигнал формируется в межэлектродном пространстве и возникает за счёт:

Диссоциации молекул на ионы;

миграции ионов под действием внешнего источника напряжения.

По этой причине методом кондуктометрии можно анализировать только растворы электролитов.

По способу выполнения различают прямую кондуктометрию и косвенную (кондуктометрическое титрование).

Сущность метода прямой кондуктометрии заключается в том, что концентрацию вещества определяют по результатам измерения электрической проводимости (или сопротивления). При этом используют два приёма нахождения неизвестной концентрации:

а) метод градуировочного графика. График строят в координатах ч - С. Он линеен в небольшом диапазоне концентраций.

б) расчётный метод. Метод используют для очень разбавленных растворов. В этом случае при С ® 0:

Таким образом, неизвестную концентрацию можно рассчитать по измеренной величине ч и табличным значениям предельных подвижностей ионов. Прямая кондуктометрия используется в качестве метода аналитического контроля растворов электролитов. Поскольку в величину аналитического сигнала вносят вклад все ионы, присутствующие в растворе, то применение метода ограничено из-за малой селективности

Сущность метода кондуктометрического титрования заключается в том, что измеряют электрическую проводимость раствора в ходе титрования и строят кривую титрования. Кривая титрования является линейной. По её излому определяют объём титранта в точке эквивалентности и проводят расчёт результатов анализа по закону эквивалентов. В кондуктометрическом титровании используют реакции осаждения, комплексообразования и кислотно - основные реакции в водных и неводных растворах.

2 Потенциометрия

Потенциометрический метод анализа основан на зависимости равновесного электродного потенциала (Е) от активности (a) или концентрации (С) вещества в растворе. Для измерений необходимо составить гальванический элемент из подходящего индикаторного электрода и электрода сравнения, а также иметь прибор для измерения потенциала индикаторного электрода. В качестве таких приборов используют:

потенциометр (для особо точных измерений);

электронные вольтметры, рН-метры, иономеры - современные потенциометры заводского типа с электронными усилителями тока.

По способу выполнения анализа различают прямую потенциометрию и потенциометрическое титрование.

Прямая потенциометрия. Измеряют ЭДС гальванического элемента и по зависимости Е = f(a) находят активность иона графическим или расчётным способом. При этом используют:

метод добавок;

метод концентрационного элемента.

Потенциометрическое титрование. Измеряют ЭДС в процессе титрования, затем строят кривую титрования. По ней определяют объём титранта в точке эквивалентности и рассчитывают результат анализа по закону эквивалентов. Используют реакции всех типов: кислотно-основные реакции, ОВР, реакции осаждения и комплексообразования. Метод удобен для титрования окрашенных и разбавленных растворов, а также смесей веществ. Для нахождения т. э. используют 4 графических способа:

по интегральной кривой титрования - наиболее простой способ;

по дифференциальной кривой титрования - более точный способ;

по второй производной;

по кривой в координатах ДV/ДE - V(R) (метод Грана)- используется для разбавленных растворов.

3 Вольтамперометрия

Вольтамперометрия это совокупность электрохимических методов анализа, основанных на использовании вольтамперных зависимостей I = f(E), которые получают в процессе электролиза на поляризуемом электроде.

По разнообразию решаемых задач вольтамперометрические методы являются наиболее универсальными среди методов электрохимического анализа. Они позволяют одновременно получать качественную и количественную информацию о находящихся в растворе электроактивных, то есть способных вступать в химические реакции под действием электрического тока, веществах.

Инверсионная вольтамперометрия позволяет существенно увеличить чувствительность. Идея метода инверсионной полярографии состоит в выделении определяемого элемента из очень разбавленного раствора на ртутной капле, тонкой плёнке ртути на графитовом электроде или просто на графитовом электроде электролизом с последующим анодным растворением полученного продукта. Процесс накопления происходит при потенциале, соответствующем предельному току. Зависимость силы тока от напряжения при анодном растворении имеет вид характерного пика, высота которого пропорциональна концентрации определяемого иона, а потенциал максимума определяется природой иона.

СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Спектроскопические и другие оптические методы анализа - это большая группа методов, основанных на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Аналитический сигнал можно получать в различных областях спектрального диапазона. В зависимости от этого различают следующие виды спектроскопии (табл.1).

Таблица 1 - Области спектрального диапазона и виды спектроскопии

Область спектрального диапазонаНазвание методаРентгеновская Рентгеновская спектроскопияОптическая (ультрафиолетовая, видимая и инфракрасная) Оптическая спектроскопияМикроволновая Микроволновая спектроскопияРадиоволновая Радиоволновая спектроскопия

Из всех видов спектроскопии в аналитической химии наибольшее применение находит оптическая спектроскопия. Методы оптической спектроскопии очень разнообразны, поскольку при взаимодействии света с веществом происходят различные явления.

Явления, обусловленные корпускулярной природой света, лежат в основе спектроскопических методов анализа. Такие явления наблюдаются при взаимодействии света с отдельными атомами или молекулами. При этом может происходить поглощение или испускание света. Поглощение света атомами и молекулами лежит в основе методов абсорбционной спектроскопии. Явления, обусловленные волновой природой света, лежат в основе оптических методов анализа. Такие явления наблюдаются при взаимодействии света со всем веществом.

В зависимости от типа взаимодействия излучения с веществом различают спектры испускания и спектры поглощения.

Виды спектров испускания:

эмиссионные спектры - испускаются термически возбуждёнными частицами;

спектры люминесценции - испускаются нетермически возбуждёнными частицами (под действием энергии электромагнитного излучения, электрического поля, энергии химической реакции и др.).

В зависимости от природы частиц спектры делят на атомные (линейчатые) и молекулярные (полосатые). В свою очередь, молекулярные спектры могут быть: вращательными; колебательными; электронными.

1 Атомные эмиссионные спектры. Эмиссионная фотометрия пламени

Атомные эмиссионные спектры состоят из отдельных линий, поэтому их называют «линейчатыми» Для каждого элемента характерен свой вид спектра. Спектры атома и иона различаются, так как у них разное электронное строение. Атомные эмиссионные спектры обусловлены только спонтанными (самопроизвольными) электронными переходами в термически возбуждённых атомах. Если атомной системе сообщить энергию, то электроны атомов переходят в возбуждённое состояние. Затем они спонтанно возвращаются в основное состояние. При этом избыточная энергия испускается в виде квантов света с частотой н = ДЕ / h.

Для получения атомного эмиссионного спектра необходимо:

атомизировать вещество (перевести его в атомарное состояние);

возбудить полученные атомы. При этом энергия, затраченная на возбуждение, должна быть меньше потенциала ионизации, иначе получится спектр иона. Если условия атомизации и возбуждения постоянные и не осложняются посторонними физико-химическими и оптическими явлениями, то число возбуждённых атомов прямо пропорционально концентрации вещества.

Регистрация атомных эмиссионных спектров проводится двумя способами:

фотографическим, при котором мерой интенсивности служит степень почернения фотоэмульсии;

фотоэлектрическим, при котором мерой интенсивности служит величина электрического сигнала (сила фототока).

Метод эмиссионной фотометрии пламени основан на измерении интенсивности света, излучаемого возбуждёнными частицами (атомами или молекулами) при введении вещества в пламя горелки. Аналитические возможности метода - определение щелочных и щелочноземельных металлов. Они ограничены возможностями источника возбуждения - пламени. Оно обладает меньшей энергией возбуждения, чем другие источники (дуга, искра и т. п), поэтому в пламени возбуждаются только элементы с низким потенциалом возбуждения.

Принцип метода заключается в следующем. Анализируемый раствор распыляют в виде аэрозоля в пламя горелки. Возникающее излучение определяемого элемента отделяется от постороннего с помощью светофильтра и, попадая на фотоэлемент, вызывает фототок, который измеряется с помощью микроамперметра.

Пламя - это низкотемпературная равновесная плазма. Основными характеристиками пламени являются его состав и рабочая температура. В состав пламени всегда входят два газа:

газ-окислитель - воздух, кислород, озон, фтор и другие.

Поскольку метод фотометрии пламени является чисто физическим, то есть не требует проведения химических реакций, то для определения неизвестной концентрации невозможно применить косвенный приём - инструментальное титрование. Для этих целей применяются все остальные известные приёмы (прямые):

метод градуировочного графика;

метод стандартов;

метод добавок: очень эффективен для уменьшения систематических погрешностей, вызванных физико-химическими помехами.

2 Молекулярные абсорбционные спектры. Методы молекулярного абсорбционного анализа

Спектры поглощения, в отличие от спектров испускания, обусловлены вынужденными электронными переходами, которые происходят под воздействием излучения от внешнего источника. Для получения спектров поглощения вещество помещают в поле электромагнитного излучения. Если энергия кванта с частотой нi не меньше, чем энергия перехода то переход может осуществиться, в результате вещество будет поглощать свет с частотой нi. Если энергия кванта с частотой нi меньше энергии перехода то переход не может осуществиться, поэтому вещество не будет поглощать свет с частотой нi. Следовательно, основным условием поглощения является совпадение энергии перехода и энергии поглощаемого фотона. Ещё одним условием поглощения является то, что переход должен быть разрешён правилами отбора. Так, запрещены переходы между уровнями s ® d, p ® f, с участием более одного электрона, с изменением спина и так далее.

Область интенсивного поглощения излучения называется полосой поглощения. Совокупность полос образует спектр поглощения. Спектр поглощения вещества - это графическое изображение распределения поглощаемой им энергии по длинам волн.

В зависимости от области оптического диапазона, способа измерения и монохроматичности используемого света различают следующие методы молекулярного абсорбционного анализа:

а) фотометрические методы - основаны на поглощении света веществом в ультрафиолетовой и видимой областях и использовании электронных спектров поглощения. Включают в себя три метода:

визуальная колориметрия - основана на сравнении окраски анализируемых и стандартных растворов визуальным способом;

фотоколориметрия - основана на измерении интенсивности света, прошедшего через окрашенный раствор, фотоэлектрическим способом;

спектрофотометрия - основана на измерении интенсивности строго монохроматического света, прошедшего через раствор, фотоэлектрическим способом.

б) инфракрасная - спектроскопия - основана на поглощении света веществом в инфракрасной - области и использовании колебательных спектров поглощения.

4.3 Нефелометрия и турбидиметрия

Сущность нефелометрического и турбидиметрического методов анализа заключается в следующем. Определяемый компонент переводят в малорастворимое соединение, которое может находиться в виде взвеси. Затем измеряют интенсивность света, рассеянного суспензией (нефелометрия) или прошедшего через неё (турбидиметрия) При этом интенсивность светового потока меняется, а длина волны излучения остаётся постоянной С помощью методов нефелометрии и турбидиметрии можно определять малые концентрации (< 100 мг/л) многих ионов, которые об- разуют малорастворимое соединение

В нефелометрии и турбидиметрии чаще всего используют два из четырёх известных приёмов нахождения концентрации по величине аналитического сигнала: метод градуировочного графика и нефелометрическое и турбидиметрическое титрование.

Для нефелометрических измерений используют нефелометры. Они аналогичны фотоколориметрам. Отличие заключается в том, что наблюдают не проходящий, а рассеянный свет, располагая фотоэлемент сбоку кюветы (обычно перпендикулярно падающему свету). Для турбидиметрических измерений можно использовать приборы абсорбционной спектроскопии - фотоколориметры, абсорбциометры, спектрофотометры, а также специальные приборы - фототурбидиметры. Они отличаются от фотоколориметров наличием мешалки, благодаря чему частицы суспензии не оседают.

4.4 Рефрактометрия

Метод основан на измерении относительных показателей преломления (n). Преломление света на границе двух сред - это изменение направления и скорости распространения светового луча. В рефрактометрии используют следующие приёмы нахождения концентрации по величине аналитического сигнала: метод градуировочного графика, по специальным рефрактометрическим таблицам n - щ, которые составлены для многих веществ, метод стандартов - по значению аналитического рефрактометрического фактора Для рефрактометрических измерений используют рефрактометры разных типов, в аналитической химии чаще всего - рефрактометры Аббе.

МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ

Разделение - это операция, позволяющая отделить компоненты пробы друг от друга. Его используют, если одни компоненты пробы мешают определению или обнаружению других, т. е. когда метод анализа недостаточно селективен и надо избежать наложения аналитических сигналов. При этом обычно концентрации разделяемых веществ близки.

Концентрирование - это операция, позволяющая увеличить концентрацию микрокомпонента относительно основных компонентов пробы (матрицы). Его используют, если концентрация микрокомпонента меньше предела обнаружения Сmin, т. е. когда метод анализа недостаточно чувствителен. При этом концентрации компонентов сильно различаются. Часто концентрирование совмещается с разделением.

Разделение и концентрирование имеют много общего, для этих целей используются одни и те же методы. Они очень разнообразны.

Существует множество классификаций методов разделения и концентрирования, основанных на разных признаках.

а) классификация по природе процесса

химические методы разделения и концентрирования основаны на протекании химической реакции, которая сопровождается осаждением продукта, выделением газа.

физико-химические методы разделения и концентрирования чаще всего основаны на избирательном распределении вещества между двумя фазами.

физические методы разделения и концентрирования чаще всего основаны на изменении агрегатного состояния вещества.

б) классификация по физической природе двух фаз

Распределение вещества может осуществляться между фазами, которые находятся в одинаковом или разном агрегатном состоянии: газообразном (Г), жидком (Ж), твёрдом (Т).

в) классификация по количеству элементарных актов (ступеней)

одноступенчатые методы - основаны на однократном распределении вещества между двумя фазами. Разделение проходит в статических условиях.

многоступенчатые методы - основаны на многократном распре- делении вещества между двумя фазами. Различают две группы многоступенчатых методов: с повторением процесса однократного распределения, методы, основанные на движении одной фазы относительно другой.

г) классификация по виду равновесия

термодинамические методы разделения основаны на различии в поведении веществ в равновесном состоянии. Они имеют наибольшее значение в аналитической химии.

кинетические методы разделения основаны на различии в поведении веществ во время процесса, ведущего к равновесному состоянию. Например, в биохимических исследованиях наибольшее значение имеет электрофорез. Остальные кинетические методы используются для разделения частиц коллоидных растворов и растворов высокомолекулярных соединений. В аналитической химии эти методы применяются реже.

хроматографические методы основаны и на термодинамическом, и на кинетическом равновесии. Они имеют огромное значение в аналитической химии, поскольку позволяют провести разделение и одновременно качественный и количественный анализ многокомпонентных смесей.

5.1 Ионный обмен

Ионный обмен - это обратимый стехиометрический процесс, который происходит на границе раздела фаз ионит - раствор электролита.

Иониты - это высокомолекулярные полиэлектролиты различного строения и состава. Основным свойством ионитов является то, что они поглощают из раствора катионы или анионы, выделяя при этом в раствор эквивалентное число ионов того же знака заряда.

2 Хроматографические методы анализа

Хроматография - это динамический метод разделения и определения веществ, основанный на многократном распределении компонентов между двумя фазами - подвижной и неподвижной. Вещество поступает в слой сорбента вместе с потоком подвижной фазы. При этом вещество сорбируется, а затем при контакте со свежими порциями подвижной фазы - десорбируется. Перемещение подвижной фазы происходит непрерывно, поэтому непрерывно происходят сорбция и десорбция вещества. При этом часть вещества находится в неподвижной фазе в сорбированном состоянии, а часть - в подвижной фазе и перемещается вместе с ней. В результате скорость движения вещества оказывается меньше, чем скорость движения подвижной фазы. Чем сильнее сорбируется вещество, тем медленнее оно перемещается. Если хроматографируется смесь веществ, то скорость перемещения каждого из них различна из-за разного сродства к сорбенту, в результате чего вещества разделяются: одни компоненты задерживаются в начале пути, другие продвигаются дальше.

В зависимости от агрегатного состояния фаз различают газовую хроматографию (подвижная фаза - газ или пар) и жидкостную хроматографию (подвижная фаза - жидкость).

По механизму взаимодействия вещества с сорбентом различают следующие виды хроматографии: адсорбционная, распределительная, ионообменная, осадочная, окислительно-восстановительная, комплексообразовательная и др.

Метод газовой хроматографии получил наибольшее распространение, поскольку для него наиболее полно разработаны теория и аппаратурное оформление. Газовая хроматография - это гибридный метод, позволяющий одновременно проводить и разделение, и определение компонентов смеси. В качестве подвижной фазы (газа-носителя) используют газы, их смеси или соединения, находящиеся в условиях разделения в газообразном или парообразном состоянии. В качестве неподвижной фазы используют твёрдые сорбенты или жидкость, нанесённую тонким слоем на поверхность инертного носителя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Физико-химический анализ - область химии, изучающая посредством сочетания физических и геометрических методов превращения, происходящие в равновесных системах.

Под физико-химическими измерениями в системе Госстандарта РФ принято понимать все измерения, связанные с контролем состава веществ, материалов и изделий. Измерения химического состава веществ могут проводиться самими различными методами, поскольку в измерительном процессе в большинстве случаев измеряется какое-либо свойство материала, а затем состав находят из связи состав-свойство. Таким свойством могут быть механические свойства, электромеханические, тепловые, оптические.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

химический вещество концентрация

1 Физико-химический анализ химия [Электронный ресурс] // Энциклопедии & Словари - Коллекция энциклопедий и словарей. - Электрон. дан. - Энциклопедии & Словари, 2009 - 2015- . - Режим доступа: http://enc-dic.com/enc_chemistry/Fiziko-himicheski-analiz-4015.html, свободный. - Загл. с экрана. - Вкладка «Химическая энциклопедия». - Дата обращения 09.03.2015.

2 Козлов М.Г., Метрология и стандартизация [Электронный ресурс] : учебное электронное текстовое издание / Козлов М.Г.- Электрон. дан. - Москва: «Московский Государственный университет печати», 2007. - Режим доступа: hi-edu.ru ›e-books/xbook109/01/part-025.htm, свободный. - Загл. с экрана. - Вкладка «Физико - химические измерения».-Данные соответствуют 13 Марта 2015.

Аналитическая химия [Электронный ресурс] // Википедия - свободная энциклопедия. - Электрон. дан. - Википедия Фаундейшн, 2015- . - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/, свободный. - Загл. с экрана. - Вкладка «Химия». - Дата обращения 09.03.2015.

Соколовский А. Е., Физико-химические методы анализа [Электронный ресурс] : учебное электронное текстовое издание / А. Е. Соколовский, Е. В. Радион - Электрон. дан. - Минск: «Белорусский Государственный Технологический Университет», 2007. - Режим доступа: analit.belstu.by ›files/fhma/FHMA_teksty_lekcii.pdf, свободный. - Загл. с экрана. - Данные соответствуют 13 Марта 2015.

ГОСТ 23201.0 - 78 Глинозем. Общие требования к методам спектрального анализа [Текст]. - Введ. 1980-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1990. - 6 с.

физико-химическими измерениями в системе Госстандарта РФ принято понимать все измерения, связанные с контролем состава веществ, материалов и изделий. Измерения химического состава веществ могут проводиться самими различными методами, поскольку в измерительном процессе в большинстве случаев измеряется какое-либо свойство материала, а затем состав находят из связи состав-свойство. Таким свойством могут быть механические свойства, электромеханические, тепловые, оптические. Из этого следует, что физико-химические измерения опираются в сути своей на уже рассмотренные виды измерений.

Основной отличительной особенностью физико-химических измерений является важная роль процесса подготовки пробы к анализу. В самом деле, при хранении пробы, при ее транспортировке от места забора к аналитическому прибору и в самом процессе анализа возможны самые разнообразные трансформации состава. К таким трансформациям могут привести изменения температурного режима, изменения влажности, давления. Важным моментом является так называемое влияние третьей компоненты на результат анализа. В химии хорошо известен каталитический эффект - т. е. влияние на скорость химических реакций веществ, не участвующих в химических превращениях, но изменяющих скорость их протекания, а в ряде случаев определяющих конечный результат химической реакции.

По этой причине нельзя отождествлять, например, собственно измерения теплопроводности газов и анализ состава газовых смесей на хроматографе с детектором теплопроводности. То же самое относится к другому распространенному виду физико-химических измерений - масс-спектрометрам. Эти приборы являются средством измерения массы по траектории движения ионов различной массы в магнитном поле.

Указанная особенность физико-химических измерений приводит к двум очень важным моментам. Первое - физико-химические измерения в сути своей используют весь арсенал приборов и методов из других видов измерения. И второе - в физико-химических измерениях очень большое значение имеет стандартизация методики измерений - последовательности действий, включая забор пробы, хранение, транспортировку, подготовку пробы к анализу, получение аналитического сигнала и обработку результатов измерений. В ряде случаев необходимая информация о составе вещества может быть получена только с использованием измерения нескольких свойств, например, массы и теплопроводности или массы и показателя преломления.

Характерным примером важности процесса пробоподготовки в аналитических измерениях является хроматография. Ниже мы рассмотрим более подробно основные принципы создания хроматографов. Здесь укажем, что в измерительной технике хроматографы занимают достойное место среди других приборов. Тем не менее хроматография не является методом измерения, а скорее есть способ пробоподготовки, позволяющий транспортировать к измерительному устройству различные компоненты смесей веществ в разные моменты времени. В зависимости от типа детектора хроматограф может быть механическим, тепловым, электроизмерительным или оптическим прибором.

Возможность определять состав веществ и материалов по различным свойствам отражается на методах оценки систематических погрешностей. В самом деле, использование различных уравнений измерения для определения одной и той же величины, например концентрации какого-либо компонента в смеси газов, жидкостей или твердых тел позволяет с большей степенью достоверности определять состав вещества.

Все аналитические методы можно разделить по способу подготовки пробы на два класса - элементный анализ, в котором определяется состав вещества по элементам периодической системы, и анализ по компонентам, в котором измеряемые составляющие вещества ни во время подготовки пробы, ни в процессе анализа на элементы не разлагаются.

По физическим свойствам анализируемой среды физико-химические измерения делятся на анализ состава газов, анализ состава жидкостей и анализ состава твердых тел. Особое место в та ком подходе занимает гигрометрия -определение содержания воды в газах в виде паров, в жидкостях в виде капельной влаги и в твердых телах в виде кристаллизационной воды. Основные методы, используемые в физико-химических измерениях можно представить в виде схемы, данной на рис. 9.1
.

Еще одной отличительной особенностью физико-химических измерений является разнообразие методов и приборов для определения микроконцентраций и макроконцентраций одного и того же компонента в определенной среде. Под этим термином здесь подразумевается, что в зависимости от относительного содержания компонента в смеси нужно использовать в ряде случаев совершенно разные подходы. По грубым оценкам в газе в 1 см 3 содержится приблизительно 2,6×10 19 частиц. В жидкости и в твердом теле это значение на несколько порядков больше. Соответственно, для решения всевозможных задач измерения содержания определенного вещества во всевозможных смесях необходимо иметь прибор для измерения величин, изменяющихся в 10 19 -10 23 раз. Для большинства компонентов эта задача трудноразрешима. В самом деле для реализации такого анализатора необходимо с одной стороны иметь счетчик отдельных частиц, а с другой стороны иметь средство измерения сверхчистого вещества с уровнем примесей 10 -19 яю&10 -23 . Очевидно, что подобные измерения представляют собой совершенно разные задачи и решать их если и возможно, то с использованием совершенно разных подходов. Тем не менее практическая необходимость создания сверхчистых материалов привела к тому, что для ряда конкретных задач подобные методы и приборы были созданы.

Влажность и содержание молекул воды в веществах и материалах являются одним из наиболее важных характеристик состава. Уже указывалось, что влагу необходимо измерять в газах (концентрация паров воды), в смесях жидкостей (собственно содержание молекул воды) и в твердых телах в качестве кристаллизационной влаги, входящей в структуру кристаллов. Соответственно, набор методов и устройств для измерения содержания молекул воды в материалах оказывается весьма разнообразным.

Традиции измерительной техники, опирающиеся на повседневный опыт, привели к тому, что в измерениях влажности сложилась специфическая ситуация, когда в зависимости от влияния количества влаги нате или иные процессы необходимо знать либо абсолютное значение количества влаги в веществе, либо относительное значение, определяемое как процентное отношение реальной влажности вещества к максимально возможной в данных условиях. Если необходимо знать, например, изменение электрических или механических свойств вещества, в этом случае определяющим является абсолютное значение содержания влаги. То же самое относится к содержанию влаги в нефти, в продуктах питания и т. д. В том случае, когда необходимо определить скорость высыхания влажных объектов, комфортность среды обитания человека или метеорологическую обстановку, на первое место выступает отношение реальной влажности, например воздуха, к максимально возможной при данной температуре.

В связи с этим характеристики влажности, а также величины и единицы влажности подразделяются на характеристики влагосостояния и влагосодержания.

(9.01)

К этому классу характеристик можно отнести парциальное давление водяных паров в газах, абсолютную концентрацию молекул воды для газа, близкого к идеальному, определяемую как:

(9.02)

где Т -абсолютная температура, n 0 - постоянная Лошмидта, равная числу молекул идеального газа в 1 см 3 при нормальных условиях, т. е. при p 0 = 760 Торр= 1015 Гпа и T 0 = 273,1б К. Часто используется такая характеристика абсолютной влажности как точка росы, т. е. температура, при которой данная абсолютная влажность газа становится 100%.Эта характеристика привнесена в гигрометрию метеорологам и, т.к. является наиболее характерной при определении момента выпадения росы и определения ее количества.

Процентное соотношение, равное отношению абсолютной влажности к максимально возможной при данной температуре:

(9.03)

Относительная влажность может характеризоваться так называемым дефицитом парциального давления, равного отношению парциального давления влаги к максимально возможному при данной температуре. Очень редко в гигрометрических измерениях можно встретить дефицит точки росы.

Связь между температурой и максимально возможной абсолютной влажностью дается уравнением упругости насыщенных паров воды. Это уравнение имеет вид:

(9.04)

На практике чаще пользуются таблицей давления насыщенных паров над плоской поверхностью воды или льда при различных температурах. Эти данные приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Давление насыщенных паров
над плоской поверхностью воды

t°c	Р нк, мбар	А нк г/м 3	t°C	Р нк, мбар	А нк г/м 3
0	6,108	4,582	31	44,927	33,704
1	6,566	4,926	32	47,551	35,672
2	7,055	5,293	33	50,307	37,740
3	7,575	5,683	34	53,200	39,910
4	8,159	6,120	35	56,236	42,188
5	8,719	6,541	36	59,422	44,576
6	9,347	7,012	37	62,762	47,083
7	10,013	7,511	38	66,264	49,710
8	10,722	8,043	39	69,934	52,464
9	11,474	8,608	40	73,777	55,347
10	12,272	9,206	41	77,802	58,366
11	13,119	9,842	42	82,015	61,527
12	14,017	10,515	43	86,423	64,839
13	14,969	11,229	44	91,034	68,293
14	15,977	11,986	45	95,855	71,909
15	17,044	12,786	46	100,89	75,686
16	18,173	13,633	47	106,16	79,640
17	19,367	14,529	48	111,66	83,766
18	20,630	15,476	49	117,40	87,772
19	21,964	16,477	50	123,40	92,573
20	23,373	17,534	51	129,65	97,262
21	24,861	18,650	52	136,17	102,153
22	26,430	19,827	53	142,98	107,268
23	28,086	21,070	54	150,07	112,581
24	29,831	22,379	55	157,46	118,125
25	31,671	23,759	56	165,16	123,900
26	33,608	25,212	57	173,18	129,917
27	35,649	26,743	58	181,53	136,009
28	37,796	28,354	59	190,22	142,700
29	40,055	30,048	60	199,26	149,482
30	42,430	31,830

На стандартных справочных данных, приведенных в табл. 9.1, основаны практически все пересчеты характеристик влажности. На их основе можно, например, по известной абсолютной влажности и температуре найти относительную влажность, точку росы и т. д., выразить практически любую характеристику влажности газов.

Среди приборов для измерения влажности наиболее массовыми являются приборы для определения содержания воды в газах - гигрометры. Для измерения влажности твердых и сыпучих тел чаще всего используются те же гигрометры, только процесс подготовки пробы к анализу включает в себя перевод влаги в газовую фазу, которая затем и анализируется. Существуют в принципе методы непосредственного измерения содержания влаги в жидкостях и в твердых телах, например, методом ядерного магнитного резонанса. Приборы, построенные на таком принципе, достаточно сложны, дороги и требуют высокой квалификации оператора.

Гигрометры как самостоятельные приборы являются одними из самых востребованных измерительных приборов, поскольку с давних времен в них нуждались метеорологи. По изменению влажности, также как по изменению давления и температуры, можно предсказывать погоду, можно контролировать комфортность жизнеобеспечения в помещениях, контролировать различного рода технологические процессы. Например, контроль влажности на электростанциях, на телефонных станциях, на полиграфическом производстве и т.д. и т.п. является определяющим в обеспечении нормального режима функционирования.

Востребованность гигрометров породила разработки и изготовление большого количества различных типов приборов. Большинство измерителей влажности представляют собой датчики влажности с индикатором либо аналогового сигнала, либо сигнала в цифровой форме. Поскольку индикаторами являются в большинстве своем либо механические устройства, либо электроизмерительные приборы, рассмотренные в предыдущих разделах, остановимся на датчиках влажности, определяющих почти все функциональные возможности гигрометров.

Датчики гигрометров можно классифицировать по принципу действия на следующие типы:

волосяные датчики, в которых используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности;

емкостные датчики, в которых при изменении влажности изменяется электрическая емкость конденсатора с гигроскопичным диэлектриком;

резистивные датчики, в которых изменяется сопротивление проводника, на поверхность которого нанесен гигроскопический слой;

пьезосорбционные датчики, в которых влага, поглощенная гигроскопическим покрытием, изменяет собственную частоту колебаний пьезокристалла, на поверхность которого нанесен гигроскопичный слой;

датчик температуры точки росы, в котором фиксируется температура, соответствующая переходу зеркального отражения металлической поверхностью в диффузное;

оптический абсорбционный датчик, в котором регистрируется доля поглощенной энергии света в полосах поглощения парами воды электромагнитного излучения.

Наиболее древний, наиболее простой и наиболее дешевый датчик влажности представляет собой обычный волос, натянутый между двумя пружинами. Для измерения влажности используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности. Несмотря на кажущуюся примитивность такого датчика и на то, что процесс, лежащий в основе измерения, не определяется законами физики и поэтому не поддается расчету, гигрометры с волосяными датчиками изготавливаются в большом количестве.

Емкостные датчики влажности в настоящее время по массовости использования конкурируют и даже превосходят волосяные, поскольку по простоте и дешевизне они не уступают волосяным. Измеряемой физической величиной является емкость конденсатора, а это означает, что в качестве индикатора или выходного устройства может использоваться любой измеритель емкости. Схема емкостного датчика в одном из возможных вариантов дана на рис. 9.2
. На подложку из кварца наносится тонкий слой алюминия, являющийся одной из обкладок конденсатора.

На поверхности алюминиевого покрытия образуется тонкая пленка окиси Al 2 O 3 . На окисленную поверхность наносится напылением второй электрод из металла, свободно пропускающего пары воды. Такими материалами могут быть тонкие пленки палладия, родия или платины. Внешний пористый электрод является второй обкладкой конденсатора.

Резистивные датчики изготавливаются в виде структуры, схема которой дана на рис. 9.3
.

Конструкция резистивного датчика влажности представляет собой меандр из двух не соприкасающихся электродов, на поверхность которого нанесен тонкий слой гигроскопического диэлектрика. Последний, сорбируя влагу из окружающей среды, изменяет сопротивление промежутков между электродами меандра. О влажности судят по изменению сопротивления или проводимости такого элемента.

В последнее время появились гигрометры, в основу работы которых положен фундаментальный физический закон поглощения электромагнитного излучения - закон Ламберта-Бугера-Бера. Согласно этому закону через слои поглощающего или рассеивающего вещества проходит электромагнитное излучение интенсивностью I λ , равное:

где I λ - интенсивность излучения, падающего на поглощающий столб; N - концентрация поглощающих атомов (число молекул в единице объема); l - длина поглощающего столба, δ λ - молекулярная константа, равная площади «тени», создаваемой одним атомом и выраженной в соответствующих единицах.

Пары воды имеют интенсивные полосы поглощения в инфракрасной области спектра и в области длин волн от 185 нм до 110 нм - в так называемой вакуумной ультрафиолетовой области. Имеются отдельные разработки по созданию инфракрасных и ультрафиолетовых оптических влагомеров, и все они имеют одно общее положительное качество - это влагомеры мгновенного действия. Под этим понимается рекордно быстрое установление аналитического сигнала для пробы, помещенной между источником света и фотоприемником. Другие особенности оптических датчиков определяются тем, что в инфракрасной области поглощение молекулами воды соответствует вращательно-колебательным степеням свободы. Это означает, что вероятности переходов, и, соответственно, сечения поглощения в законе Ламберта-Бугера-Бера зависят от температуры объекта. В вакуумной ультрафиолетовой области сечение поглощения от температуры не зависит. По этой причине ультрафиолетовые датчики влажности являются более предпочтительными, но инфракрасная техника, которая используется в ИК датчиках влажности, намного долговечнее и проще в эксплуатации, чем ВУФ техника.

У оптических датчиков имеется и один общий недостаток - влияние на показание мешающих компонентов. В инфракрасной области это различные молекулярные газы, например окиси углерода, серы, азота, углеводороды и т. д. В вакуумном ультрафиолете основным мешающим компонентом является кислород. Тем не менее можно выбрать длины волн в ВУФ, где поглощение кислорода минимально, а поглощение паров воды максимально. Например, удобной областью является излучение резонансной линии водорода с длиной волны А, = 121,6 нм. На этой длине волны у кислорода наблюдается «окно» прозрачности в то время, как пары воды заметно поглощают. Другой возможностью является использование излучения ртути с длиной волны 184,9 нм. В этой области кислород излучения не поглощает и весь сигнал поглощения определяется парами воды.

Одна из возможных конструкций оптического датчика влажности дана на рис. 9.4
. Резонансная водородная лампа с окном из фтористого магния располагается на расстоянии в несколько миллиметров от фотоэлемента с катодом из никеля. Никелевый фотоэлемент имеет длинноволновую границу чувствительности -190 нм. Окна из фтористого магния имеют коротковолновую границу прозрачности 110 нм. В этом диапазоне длин волн (от 190 до 110 нм) в спектре водородной лампы присутствует только резонансное излучение 121,6 нм, которое и используется для измерения абсолютной влажности без какой-либо монохроматизации.

У оптического датчика, схема которого изображена на рис. 9.4 есть еще одна особенность - возможность изменять чувствительность изменением расстояния от лампы до фотоприемника. В самом деле, с увеличением расстояния наклон характеристики dU/dN выходного сигнала от концентрации прямо пропорционален величине зазора между лампой и фотодиодом.

Важным качеством оптического датчика является следствие из закона Ламберта-Бугера-Бера, состоящее в том, что такой датчик нужно калибровать только в одной точке. Если, например, определить сигнал с прибора при какой-либо одной определенной концентрации паров воды, то отградуировать шкалу прибора можно расчетным путем на том основании, что изменение логарифма сигналов при различных концентрациях равно:

(9.06)

где N - концентрация (число) молекул в единице объема; δ λ - сечение поглощения, I - длина поглощающего промежутка.

Для определения относительной и абсолютной влажности на практике часто используются приборы, получившие название психрометров. Психрометры представляют собой два одинаковых термометра, один из которых обернут фитилем и смачивается водой. Мокрый термометр показывает температуру ниже, чем сухой термометр в том случае, если относительная влажность не равна 100%. Чем ниже относительная влажность, тем больше разность показаний сухого и мокрого термометров. Для психрометров различных конструкций составляются так называемые психрометрические таблицы, по которым находятся характеристики влажности. Схема психрометра дана на рис. 9.5.

Психрометр не очень удобен в эксплуатации, поскольку его показания не просто автоматизировать, и требуется постоянное увлажнение фитиля. Тем не менее именно психрометр является самым простым и вместе с тем достаточно точным и надежным средством измерения влажности. Именно по психрометру чаще всего градуируются гигрометры с волосяными, емкостными или резистивными датчиками.

В заключение кратко остановимся на методах измерения влажности жидкостей и твердых материалов. Наиболее распространенным является метод высушивания или выпаривания влаги из вещества с последующим взвешиванием. Обычно пробу высушивают до тех пор, пока не перестанет изменяться ее вес. При этом, естественно, делается два допущения. Первое - что вся сортированная и химически связанная влага при выбранном режиме выпаривания улетучивается. И второе - что вместе с влагой не испарится никакой другой компонент. Очевидно, что во многих случаях гарантировать корректность выполнения процедур выпаривания очень сложно.

Другим универсальным методом измерения влажности жидких и твердых тел является метод, когда влага из них переходит в газовую фазу в каком-либо замкнутом объеме. В этом случае стандартизуют методику подготовки пробы, а измерения ведут одним из упомянутых типов гигрометров, предназначенных для измерений влаги в газовой фазе. С целью получения надежных результатов такие устройства калибруют по стандартным образцам влажности.

Измерения физических величин, характеризующих состав веществ и материалов, характерны тем, что образцовые средства измерений и эталоны должны опираться на основную «химическую» единицу - моль. Поскольку эталон моля в настоящее время не реализован, в физико-химических измерениях не используется традиционный для других видов измерения способ обеспечения единства измерений с построением подробной поверочной схемы. Специфика измерений состава веществ и материалов заставляет основным методом обеспечения единства измерений выбрать использование стандартных образцов материалов и использование стандартных справочных данных о свойствах чистых веществ, их смесей, сплавов и т. д.

В измерениях влажности для градуировки и калибровки гигрометров используются либо термодинамические свойства воды, либо различного рода генераторы паровоздушных или парогазовых смесей, параметры которых также определяются термодинамическими свойствами воды. Выше упоминалась зависимость парциального давления паров воды от температуры (см. табл. 9.1). Именно эти стандартные справочные данные позволяют вычислять разнообразные характеристики влажности.

Специфическим средством обеспечения единства измерений в гигрометрии являются генераторы относительной или абсолютной влажности. Существует несколько типов генераторов влажного газа: генераторы, работающие по методу двух температур, по методу двух давлений и по методу двух расходов. Во всех типах генераторов изначально создается насыщенный пар при известной температуре. Содержание воды определяется по уравнению упругости. Далее, в генераторе по двум температурам парогазовая смесь направляется в объем, температура которого выше, чем та, при которой проводилось насыщение парогазовой смеси. В генераторе по двум давлениям измеряется давление в камере насыщения, где относительная влажность равна 100%, и давление в рабочей камере, отличающееся от давления в камере насыщения. Далее, используя газовые за коны и считая, что абсолютное количество влаги в генераторе неизменно, вычисляется относительная влажность газа. В этом методе кроме уравнения упругости насыщенных паров необходимо пользоваться стандартными справочными данными о коэффициентах сжимаемости водяного пара, характеризующих степень не идеальности паро-газовой смеси.

Генераторы влажного газа по двум расходам представляют собой два воздушных или газовых потока, один из которых насыщается влагой до значения относительной влажности, близкой к 100%. Второй газовый поток тщательно осушается пропусканием через селикагель или ловушку с пентаксидом (пятиокись фосфора). Относительная влажность рассчитывается в соответствии с соотношением

где Q вл - расход влажного газа, Q сух - расход сухого газа.

Низкие концентрации влаги, соответствующие точке росы ниже 0°С, создаются в генераторах влажного газа, представляющего собой холодильник, в котором необходимо измерить температуру самой холодно и точки. В этой точке выпадает роса или иней, и если газовый тракт герметичен, то абсолютная влажность на выходе определяется давлением насыщенного водяного пара при этой температуре. Поэтому принципу построен образцовый генератор «Полюс», являющийся в настоящее время практически самым достоверным образцовым средством для калибровки и градуировки гигрометров.

Единство измерений в газовом анализе обеспечивается несколькими способами. Самым распространенным является использование поверочных газовых смесей в сосудах под давлением, когда в баллон, выдерживающий давление до 200 атмосфер, напускается газ, концентрации которого желательно измерить. Количество этого газа контролируется гравиметрическим методом, т. е. взвешиванием баллона до и после заполнения. Затем в баллон закачивается газ-разбавитель с таким расчетом, чтобы получилась нужная концентрация измеряемого газа. Обычно газом-разбавителем служит сухой азот или инертные газы. Получаемые таким образом смеси получили в метрологической практике название ПГС - поверочные газовые смеси. В нашей стране и за рубежом выпускаются промышленно сотни и тысячи наименований ПГС. Отличительной особенностью ПГС среди других мер в метрологии является то, что такая мера является расходуемой, т. е. то, что анализируется при выборочном контроле качества приготовления ПГС может не соответствовать тому составу смеси, который остался в баллоне. Еще одним недостатком ПГС как меры состава является возможность фракционирования при отборе газа из баллона, т. е. первые порции ПГС, взятые из баллона, могут не соответствовать по составу тому газу, который будет отобран из баллона позднее.

Для ряда компонентов газовых смесей, в особенности таких, которые не подлежат длительному хранению, для обеспечения единства измерений создаются генераторы газовых смесей по аналогии с описанными выше генераторами влажного газа. Например, для получения смеси сероводорода в воздухе в ампулу из стекла закачиваются химреактивы, которые при нагревании выделяют сероводород. Если существует необходимость приготовления смеси сероводорода в воздухе, такую ампулу помещают в замкнутый объем, разбивают, а химреактивы нагревают на несколько десятков градусов. Из навески химреактивов выделяется определенное количество сероводорода, который смешивается с воздухом в сосуде, образуя смесь нужной концентрации.

Аналогичные генераторы изготавливают на основе так называемых диффузионных трубок. Диффузионная трубка представляет собой ампулу с испаряющимся веществом, например с окислами азота, закрытую пробкой, которая пропускает малые количества паров жидкости-наполнителя за счет диффузии через пробку. Такая трубка помещается в поток газа носителя, и нужная концентрация получается изменением расхода газового потока.

Единство измерений в газовом анализе может быть обеспечено с использованием стандартных справочных данных. Особенно успешно этот способ реализуется в оптических абсорбционных методах газового анализа. В ряде случаев в реализации трассового метода или в атомно-абсорбционном спектральном анализе для получения значений концентраций измеряемых компонентов достаточно знать сечение поглощения δ λ в законе Ламберта-Бугера-Бера и длину волны просвечивающего излучения. Получением зависимостей сечений поглощения от длины волны для огромного числа паров чистых веществ занимаются многие организации и фирмы. Существуют и международные организации, собирающие такие данные и публикующие соответствующие таблицы и справочники.

Приборы газового анализа могут поверяться и другими методами, например по газу-эквиваленту или поэлементно-эквивалентным методом. Примером контроля газоанализаторов по газу эквиваленту может служить шахтный анализатор метана, представляющий собой интерферометр. Такой газоанализатор поверяют, помещая его в камеру с избыточным давлением воздуха. Данный прибор измеряет показатель преломления и поэтому неселективен в показаниях. Изменяя давление воздуха в камере, моделируют проникновение внутрь прибора газа с отличным от воздуха показателем преломления.

В поэлементно-эквивалентном методе показания газоанализатора контролируются по работоспособности отдельных элементов прибора. Например, оптическая часть поверяется как мера пропускания, электроизмерительная часть как электроизмерительный прибор, регистрирующая часть также контролируется отдельно от остального прибора. При положительных результатах таких процедур можно с большой уверенностью считать обеспеченным контроль работоспособности всего прибора.

Примером такого газоанализатора может служить озонометр для контроля общего содержания озона в атмосфере. Этот прибор работает по Солнцу, т. е. регистрирует коротковолновую границу солнечного излучения, дошедшего до Земли. По мере изменения толщины озонового слоя граница прозрачности атмосферы в коротковолновой области сдвигается. Озонометр поверяется отдельно по системе слежения за положением изображения Солнца на входной апертуре прибора. Измерительная часть поверяется как ультрафиолетовый фото метр по фильтрам, аттестованным на пропускание. И регистрирующая часть поверяется как любое выходное устройство спектрометра.

В обеспечении единства измерений жидких сред и твердых образцов основным средством измерения являются стандартные образцы состава. Для металлов и сплавов это болванки диаметром в несколько сантиметров, изготовленные по технологиям, обеспечивающим однородность состава по всему образцу. При плавке образцов в цилиндрических печах неоднородности концентрируются по оси цилиндра. По этой причине при анализе не рекомендуют использовать центральные участки болванки. Некоторые производители высверливают в стандартном образце центральные зоны, где состав может отличаться от состава остальных частей болванки.

Стандартные образцы жидких сред также приготавливаются специально и хранятся либо в герметичной посуде, либо запаиваются в ампулы. Главным моментом в создании стандартных образцов жидких сред является обеспечение стабильности состава. Для этого нужно подбирать такие смеси, в которых не шли бы химические реакции, не было бы фотолиза, не выпадал бы осадок. Специальные центры и лаборатории во многих странах мира занимаются исследованием и приготовлением стандартных образцов самого широкого назначения.

По изготовлении стандартные образцы состава жидких сред ил и твердых образцов рассылаются в несколько аналитических лабораторий для аттестации. Затем результаты собираются воедино и сравниваются. При отсутствии значительных расхождений составляется паспорт стандартного образца, ему присваивается номер, а состав фиксируется в государственных реестрах стандартных образцов. В Российской Федерации такой реестр ведется в Институте стандартных образцов в Екатеринбурге. Аналогичными сведениями располагает и ВНИИМС (Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы РФ). При наличии расхождений в анализах различных лабораторий собирается согласительная комиссия, которая определяет наиболее надежные результаты аттестации стандартного образца. В Госреестр такой образец заносится только после соответствующей экспертизы.