Важнейшие области применения физических и физико-химических методов анализа в экологическом мониторинге

Физические и физико-химические методы анализа широко применяются для контроля производства и управления производственными процессами, а также при выполнении экоаналитических (мониторинговых) и научно-исследовательских работ. Их значение резко возрастает в связи с автоматизацией промышленности. На основе использования физических и физико-химических методов также автоматизируют аналитические определения.

Управление процессами, протекающими при больших скоростях, высоких температурах и давлениях, высоких уровнях радиации, иногда вне досягаемости экспериментатора и даже вне Земли (в Космосе), немыслимо без их автоматизации.

Иногда необходимо автоматизировать контроль химического состава участвующих в данных процессах веществ. В этих случаях используют также физические и физико-химические методы анализа, которые дают возможность проводить быстрое и автоматическое определение без предварительного разделения элементов и, если необходимо, дистанционный контроль состава веществ.

Важной новой областью применения физических и физико-химических методов является анализ веществ высокой чистоты (в фармакологии, на пищевых производствах и т.д.).

Еще совсем недавно содержание в технических продуктах 10^-4 – 10 ^–3 % примесей оценивалось как «следы», которыми можно пренебрегать. Такое содержание посторонних элементов обычно не мешало использованию всевозможных веществ в промышленности и во многих исследовательских работах. Современной технике необходимы особо чистые вещества, содержащие в ряде случаев не более 10 ^–5 –10 ^–6 % примесей и ниже.

Производство и применение веществ высокой степени чистоты связано с анализом исчезающе малых примесей. Таким образом, перед химическим анализом возникла задача определения ультрамикроколичеств одних элементов в присутствии больших количеств других элементов, составляющих основную массу вещества. Например, в германии, идущем на изготовление полупроводниковых электронных приборов, должно содержаться не более 10 ^-7 % примесей других элементов. При этом в навеске 1 г находится только 10 ^-9 г или 0,001 мкг примесей. Главную массу этих примесей составляют 3 – 4 элемента. Следовательно, при определении одного из этих элементов мы имеем дело лишь с чрезвычайно малыми долями микрограмма. Некоторые материалы, потребляемые атомной или космической промышленностью, также должны быть предельно чистыми. Очевидно, что для анализа таких высокочистых материалов необходимы сверхчистые реактивы.

Контроль производства веществ высокой чистоты и экологический контроль (фоновый мониторинг) должны основываться на методах, позволяющих определять 10 ^–8 – 10 ^–9 % примесей. Столь малые количества элементов (веществ) можно определять только при помощи физико-химических и физических методов анализа, которые, как мы видели, отличаются большой чувствительностью, а также высокой скоростью выполнения анализа. Однако, к недостаткам многих физико-химических методов относится сравнительно невысокая их точность определения.

Не следует, однако, думать, что химические методы анализа утратили значение. Они по-прежнему остаются основными методами в системе химического анализа благодаря тому, что позволяют с большой точностью проводить определения содержания веществ; именно на таких определениях и основываются калибровочные процедуры, необходимые для физических и физико-химических методов анализа.

В тех случаях, когда у вышеназванных методов не хватает специфичности (селективности) и чувствительности, применяют специальные процедуры разделения и концентрирования.

Рассмотрим их некоторые примеры, поясняющие применения таких методов в аналитической химии.

Методы разделения и концентрирования

При некоторых анализах целесообразно предварительно отделять или маскировать мешающие элементы (вещества). Для маскировки их как правило связывают в комплексные соединения, устойчивые в условиях определения.

Разделение обычно сопровождается концентрированием анализируемых элементов, что особенно важно при определении очень малых- количеств примесей. Применяя концентрирование, можно определять исчезающе малые количества примесей при помощи даже не очень чувствительных методов. Для этого следует извлечь примеси из достаточно большого объема анализируемого вещества и перевести в малый объем раствора. Соотношение объемов, при котором содержание примесей в концентрате будет соответствовать чувствительности данного метода анализа, можно, конечно, установить заранее.

Например, содержание ионов некоторых металлов в природных водах составляет 1 мкг/л. Допустим, что колориметрически эти ионы можно определять лишь при содержании 100 мкг/л и выше. Следовательно, необходимо перевести определяемые ионы из 1 л исходного раствора в раствор объемом не более 10 мл. Таким образом, при недостаточной чувствительности метода анализа следует прибегать к обогащению, т.е. предварительно извлекать и концентрировать анализируемые элементы, попутно отделяя их от основных элементов анализируемого вещества. Таким путем можно, в принципе, беспредельно повышать чувствительность определения.

Для разделения и концентрирования элементов предложено много различных методов, среди которых одно из первых мест занимают уже упомянутые хроматографические методы. Необходимо также указать на осаждение из водных и неводных растворов органическими и неорганическими осадителями, на электролитическое осаждение, цементацию, соосаждение, экстрагирование и отгонку летучих веществ.

Для разделения и концентрирования малых количеств одних элементов (микроэлементов) из не слишком концентрированных растворов других элементов часто применяют соосаждение микроэлементов с некоторыми карбонатами, сульфидами и гидроокисями. Однако при некоторых, более высоких концентрациях растворов соосаждение делается неэффективным.

При анализе очень разбавленных растворов часто применяются сорбционные методы концентрирования. В качестве сорбента используют, например, активированный уголь. При анализе слабо минерализованных природных вод применяют иониты. Можно указать, например, на так называемый метод тонущих частиц, пользуясь которым, можно в течение 15 мин извлечь катионитом из 1 л анализируемой воды ряд катионов и увеличить их концентрацию в 50 раз.

Из сравнительно более концентрированных растворов, например из морской воды (3 г/л солей), иониты, однако, уже не могут извлекать микроэлементов. В подобных случаях следует воспользоваться экстрагированием. Например, при помощи диэтилдитиокарбамата натрия и четыреххлористого углерода можно экстрагировать из морской воды ионы тяжелых металлов и тем самым сделать возможным их колориметрическое определение. При еще более высоких концентрациях солей и кислот ионы микроэлементов можно концентрировать методом цементации, т.е. вытеснени­ем из растворенных соединений менее активных металлов более активными, например железом, магнием, цинком и некоторыми другими.

Группу металлов: железо, цинк, медь, кобальт и ряд других – можно извлекать и концентрировать даже из сильно минерализованных растворов при помощи силикагеля, предварительно «заряженного» ионами щелочных или щелочноземельных металлов.

Если можно перевести анализируемые элементы в летучие соединения, то концентрирование во многих случаях целесообразно выполнять отгонкой из раствора или соответствующей обработкой твердого вещества.

Что касается метода осаждения, то он применяется для более грубого разделения элементов. При осаждении всегда имеют место потери, происходящие вследствие растворимости осадков, часто мешает соосаждение. Осаждение позволяет только перераспределять элементы между раствором и осадком, каждый из которых всегда содержит смесь всех присутствующих элементов.

Следует иметь в виду, что концентрирование, как и весь анализ, должно проводиться в условиях, полностью исключающих попадание в концентрат определяемых элементов из любых источников: воды, реактивов, посуды и т.п. В ряде случаев операции разделения необходимо автоматизировать; например, вещества, обладающие опасной для здоровья радиоактивностью, разделяют при помощи сложной автоматической аппаратуры, управляемой на расстоянии.

Процедуры разделения и концентрирования обычно относятся к этапу (операции) анализа, который называется «пробоподготовка». Кроме того, существуют другие операции – пробоотбор, анализ и т.д. Рассмотрим и прокомментируем важнейшие из них.

Дата добавления: 2014-12-26