Модуль 3

План

План

План

1 Якісний аналіз

2 Реакції, що використовуються в якісному аналізі

3 Кількісні методи аналізу

4 Хімічні, фізико-хімічні, фізичні та біологічні методи кількісного аналізу

Під час дослідження стану довкілля кількісному визначенню часто передує якісний аналіз на наявність того чи іншого хімічного елемента, йона, сполуки.

Реакції, які використовуються в якісному аналізі, мають супроводжуватися візуальним ефектом:

& Появою чи зникненням осаду;

& Появою, зникненням чи зміною кольору розчину;

& Виділенням газів;

& Утворення кристалів характерного кольору і форми;

& Появою забарвлених перлів;

& Забарвленням полум'я;

& Появою світіння;

& Виникненням характерного забарвлення при розтиранні речовини.

Зокрема, наявність плюмбуму в ґрунті виявляють за допомогою йодиду, хромату чи сульфату калію за появою характерного осаду:

Pb (NO₃)₂ + 2KI = PbI₂ ¯ (яскраво-жовтий) + 2KNO₃

Pb (NO₃)₂ + 2KCrO₄ = PbCrO₄ ¯ (жовтий) + 2KNO₃

Pb (NO₃)₂ + K₂SO₄ = PbSO₄ ¯ (білий) + 2KNO₃

Нітрат- і нітрит-іони у фруктах і овочах визначають дифеніламіном, який окиснюється за їх наявності до бензидинової сині. У ХIX ст. патер Ф. Денца визначав озон в атмосферному повітрі впродовж 26 років, розвішуючи на подвір'ї папірці, змочені розчином йодиду калію; за ступенем їх побуріння внаслідок виділення йоду діставав інформацію про приблизний вміст озону.

Газовидільні реакції проводять у мікрогазових камерах або пробірках, вносячи туди краплину реагенту чи реактивний папір (фільтрувальний папір, оброблений відповідним реагентом), змочений водою. Газ, що виділяється, вступає в хімічні реакції, що супроводжуються появою характерного кольору сполуки.

H₂S визначають за допомогою папірця, змоченого Pb(NO₃)₂:

Pb (NO₃)₂ + H₂S = PbS ¯ (чорний) + 2НNO₃

Cl₂ викликає почервоніння папірця, змоченого КВr і флюоресцеїном:

Cl₂ + 2Вr = 2 Cl^ˉ + Вr₂

NH₃ – за появою бурої плями на папірці, обробленому реактивом Несслера.

При сплавлянні кристалічних солей з бурою Na­₂B₄O₇ • 10H₂O чи фосфатом натрію на платиновій петлі в полум'ї газового пальника утворюються прозорі забарвлені «перли» характерного кольору: купруму і хрому – зелені; кобальту – блакитні; феруму і нікелю – жовті; мангану – фіолетові; стибію – безбарвні.

Попередній висновок про наявність певного хімічного елемента можна зробити і на підставі забарвлення ним полум'я пальника (пробу сухої речовини чи розчин наносять на ніхромовий дротик у формі кільця, змочений попередньо розчином хлоридної кислоти і прожарений у полум'ї).

Літій, кальцій і стронцій забарвлюють полум'я у коричнево-червоний колір, натрій – у жовтий; калій – у фіолетовий; купрум, вісмут, бор, барій – в зелений; стибій – у блакитний.

При розтиранні аналізованої проби з сухим реагентом на фарфоровій пластинці чи папері (іноді в присутності гідросульфату калію KHSO₄) відбуваються характерні реакції, що супроводжуються зміною забарвлення. Ці реакції часто використовуються при встановленні типу мінералу:

FeCl₃ + 3NH₄SCN = Fe (SCN)₃ (червоний) + 3NH₄Cl;

CdSO₄ + Na₂S = CdS (жовтий) + Na₂SO₄;

Hg (NO₃)₂ + 2KІ = HgS₂ (оранжевий) + 2KNO₃

Для якісного виявлення використовують і люмінесцентні реакції (для збудження люмінесценції необхідна ртутна лампа чи лампа накалювання). Це чутливий метод. Зокрема, при взаємодії з 8-оксихіноміном Li⁺ дає блакитну люмінесценцію, Ag⁺ і K⁺ – жовто-зелену; Al³⁺ – зелену; Mg²⁺ з люмомагнезом – рожеву; Pb²⁺ з піридином і йодидом калію – жовто-коричневу, Cd²⁺ – блакитну.

Якісний аналіз дає змогу діагностувати заселення ґрунтів.

На практиці частіше користуються кількісними методами аналізу. На основі вимірювальних параметрів методи кількісного аналізу поділяють на хімічні, фізико-хімічні, фізичні та біологічні.

Вибір методу дослідження для визначення того чи іншого компонента залежить від потрібної точності аналізу, доступності методу для виконання, вмісту аналізованої речовини, хімічного складу досліджуваного об'єкта тощо (таблиця 2.1).

Таблиця 2.1. Методи визначення хімічних інгредієнтів у об’єктах природного середовища

2.2 Хімічні методи дослідження стану довкілля

(самостійне вивчення)

Мета: - розвинути у студента навики самостійної роботи зі спеціальною літературою, вміння вибирати головне, узагальнити і систематизувати знання;

- надати студентам загальні уявлення про титриметричний та гравіметричний методи аналізу стану довкілля.

Завдання: прочитати текст в підручнику Г.О. Білявський, Л.І. Бутченко «Основи екології: теорія та практикум» стр.183-185. Скласти конспект. Відповісти на питання для самоконтролю.

Титрометричний (об`ємний) метод аналізу ґрунтується на вимірюванні об’єму розчину реагенту відомої концентрації, витраченого на взаємодію з аналізованою речовиною за умови, що речовини вступають у реакцію в стехіометричних кількостях. Концентрація визначуваного компонента 10^-1- 10^-3 моль/л.

Цим методом визначають загальну і карбонатну твердість води, хімічне споживання кисню (ХСК), біохімічне споживання кисню (БСК₅), кислотність, лужність, вміст розчиненого кисню, концентрацію катіонів меркурію, феруму (II), аніонів Cl^-, SO₄^2-, S^2- тощо.

Гравіметричний метод базується на кількісному переведенні аналізованого компонента в малорозчинному сполуку і зважування продукту після виділення, промивання, висушування чи прожарювання.

Метод застосовують при концентрації визначуваної речовини в розчині не нижче 10^-2-10^-3моль/л. Гравіметричним методом визначають у природних, стічних водах ферум (Ш) та алюміній у вигляді оксидів, хлориди - AgCl, сульфати – BaSO₄ в кислому середовищі, багато металів – у вигляді малорозчинних сполук з органічними реагентами – оксихінолінатів, дитизонатів тощо.

2. 3 Фізико-хімічні методи аналізу стану довкілля

(лекція)

1 Загальні відомості про фізико-хімічні методи аналізу стану довкілля

2 Фотометричний аналіз, його методи.

3 Хроматографічний аналіз, його методи.

4 Електрохімічні методи аналізу.

Ця група методів ґрунтується, як і хімічні, на хімічних реакціях, однак визначають фізичну характеристику (оптичну густину, електропровідність, окисно – відповідний потенціал), що залежить від аналізованої речовини.

Фотометричний аналіз охоплює всі методи, які ґрунтуються на поглинанні світла в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній частинах електромагнітного спектра визначуваною речовиною чи продуктом реакції.

Фотометричні методи високочутливі, розроблені для визначення практично всіх хімічних елементів, крім інертних газів; з їх допомогою визначають як макро-, так і мікрокількість (до 10^–8 %) аналізованого компонента.

Методи фотометрії широко застосовують в аналізі природних об`єктів: повітря, поверхневих вод, ґрунту, донних мулів, рослин, а також стічних вод, газоподібних викидів, відходів промисловості. Наприклад, катіони купруму визначають у вигляді діетилдитіокарбамату купруму жовтого кольору, чи аміачного комплексу [Cu (NH₃)₄]SO₄ волошково – синього кольору; ферум (ІІІ) – у вигляді роданідного комплексу Fe (SCN)₃ криваво – червоного кольору чи сульфосаліцилату (зележно від pH середовища окремо можна визначити вміст Fe (II) і Fe (III); Al³⁺ утворює рожеві комплекси з алюміноном в ацетатному буфері.

Хроматографічний аналіз – метод розподілу, концентрування, якісного виявлення та кількісного визначення компонентів рідких і газоподібних сумішей, що ґрунтується на різному їх розподілі між рухомою та нерухомою фазами.

Метод все частіше використовують для аналізу стану довкілля. Саме завдяки йому вдалося швидко виявити стафілококове та мікозне ушкодження ліквідаторів аварії на ЧАЕС.

Високоефективна рідинна хроматографія – найбільш вживаний метод аналізу складних органічних проб. В установках рідинної хроматографії (як і в газових) використовують різноманітні детектори: ультрафіолетовий, електрохімічний, детектор з діодною матрицею, флуорометричний. Застосування електрохімічного детектора дає змогу визначати сполуки при їх вмісті 10^–12 г в 1мл проби. Найбільшу чутливість при визначенні сполук з малими ГДК (біогенні аміни, поліароматичні вуглеводні, гормони, токсини) має флуорометричний детектор. До речі, хроматографічними методами криміналістика виявляє в організмі алкалоїди, що спричинили отруєння.

Методом газорідинної хроматографії визначають склад стічних вод нафтопереробних та хіміко–фармацевтичних підприємств, заводів органічного синтезу.

Газова хроматографія характеризується високою розподільною здатністю, гнучкістю завдяки застосуванню різних детекторів. Найуживанішим є полуменово-іонізаційний; для визначення галогеновуглеводнів застосовують детектор електронного захоплення; азото- і фосфоровмісні агрохімічні препарати виявляють за допомогою спеціального N/P – детектора.

Кількісною характеристикою газової та рідинної адсорбційної хроматографії є висота або площа хроматографічного піка, які пропорційні вмісту компонента в досліджуваній суміші.

Під час розділення сумішей методом тонкошарової хроматографії (її різновид - паперова хроматографія) отримують забарвлені плями окремих компонентів; у разі безбарвних сполук їх проявляють фізичним (УФ-опромінення, нагрівання) або хімічним (обробка реагентом, який утворює забарвлені сполуки з речовинами, наприклад, амінокислоти набувають блакитного кольору після обробки їх розчином нінгідрину) способом. Це якісне виявлення компонентів суміші; кількісний склад визначають за площею плями або розчиняють вміст у відповідному розчиннику і аналізують одним із методів.

Методом тонкошарової хронографії розділяють амінокислоти і барвники рослин, визначають активність ґрунтової фауни за продукцією амінокислот.

Іонообмінну хроматографію використовують для розділення елементів із подібними хімічними властивостями. Так, елююванням розчином NCl з концентрацією 1моль/л можна розділити катіони натрію і калію. Йонообмінна хроматографія дає змогу після попереднього розділення і послідовного вилучення компонентів суміші з колонки визначити їх вміст фотометричним, титриметричним та іншим способом.

Цим методом визначають загальну твердість води, вміст катіонів важких металів у воді, ґрунті, донних мулах.

Методом йонної хроматографії визначають понад 70 аніонів неорганічних і органічних кислот, катіони лужних і лужноземельних металів у воді, продуктах, лікарських препаратах тощо.

Молекулярно-ситова хроматографія дає змогу розділяти речовини на основі різних розмірів їх молекул. Так можна розділити, наприклад, мономерні й полімерні гідрокомплекси алюмінію, які мають різну токсичність і механізм дії на гідробіонтів в у разі їх надлишку в природних водах.

Електрохімічні методи аналізу.

Потенціометрія. Методом абсолютної потенціометрії вимірюють потенціал Е і за рівнянням Нернста обчислюють концентрацію йона в речовині. Метод використовується для визначення рН природних і стічних вод за допомогою скляного електрода; йоноселективні електроди дають змогу встановити вміст нітратів у рослинах та продуктах, концентрацію катіонів натрію, калію, кальцію, магнію, купруму, аніонів CI^¯,Br¯, J¯, CN¯ та ін.

Методом потенціометричного титрування визначають численні сполуки; порівняно зі звичайним титриметричним методом він дає змогу аналізувати забарвлені і каламутні середовища. Потенціометричні біодатчики використовують для визначення концентрації пестицидів у складних багатокомпонентних системах.

Вольтамперометрію поділяють на два типи: полярографічний аналіз, що базується на процесі електролізу і вивченні залежності сили струму від прикладеної напруги (цим методом у природних водах і ґрунтах визначають вміст цинку, кадмію, плюмбуму, купруму; з попереднім екстракційним відділенням токсичних елементів – залишкову кількість плюмбуму у виноградному соці з чутливістю 0,002 мг/л; токсичні елементи в продуктах, повітрі, стічних водах; користуються методом і для визначення концентрації вітамінів, ферментів, гормонів в організмі людини, для діагностики захворювань), і амперометричне титрування (дає змогу визначати аніони, для яких немає точних і швидких титриметричних методів: C₂O₄^2¯, SO₄^2¯, CO₃^2¯, PO₄^3¯, MoO₄^2¯, а також багато органічних сполук).

Методами абсорбційної інверсійної вольтамперометрії визначають понад 40 катіонів металів, числені аніони, органічні сполуки (білки, ферменти, лікарські препарати, пестициди, стимулятори росту тварин, комплексони) в різних екологічних об’єктах.

Кондуктометрію (аналіз за електричною провідністю) використовують для визначення концентрації розчинених солей у питних водах і водах для теплообмінного обладнання (пряма кондуктометрія). Кондуктометричним титруванням визначають суміші кислот у водному та водно-органічному середовищах, численні катіони й аніони; титруванням розчином BaCl₂ визначають сульфати, хромати, оксалати, карбонати, цитрати; трилоном Б за різних значень рН аналізують суміші катіонів металів без попереднього їх розділення.

2. 4 Фізичні методи дослідження стану навколишнього середовища

(лекція)

1 Спектральний аналіз

2 Мас-спектрометрія

3 Метод ядерного магнітного резонансу

4 Радіометричний метод аналізу

5 Рентгеноспектральний аналіз

6 Люмінесцентний аналіз

Спектральний аналіз – це фізичний метод визначення складу і будови речовини за її спектром – упорядкованим за довжиною хвилі електромагнітним випромінюванням. Для збудження атомів використовують полум`я пальника, енергію електричної дуги чи іскри.

Спектральний аналіз дає змогу встановити елементний, нуклідний і молекулярний склад речовини та її будову (атомно-емісійний спектральний аналіз).

Методом полуменевої фотометрії кількісно визначають понад 70 хімічних елементів, зокрема й катіони лужних і важких металів у природних водах.

Атомно-абсорбційний спектральний аналіз ґрунтується на визначенні концентрації речовини за поглинанням шаром атомної пари елемента монохроматичного резонансного випромінювання.

Атомно-абсорбційний аналізатор МГА-915 – спектрометр із земанівською корекцією застосовують для елементарного аналізу природних, питних і стічних вод, ґрунтів, біологічних проб повітря (при об’ємі проби 40 мкл межі визначення окремих елементів становлять: Zn-0,004; Cd і Cr-0,03; Cu-0,07; Pb-0,12 мкг/л).

Переносний аналізатор ртуті РА-915 дає змогу проводити безперервний моніторинг вмісту цього токсичного металу в повітрі робочого приміщення, в атмосферному повітрі з автомобіля, судна, гелікоптера; методом холодної пори – у водах, методом піролізу – в харчових продуктах, нафті, крові, волоссі.

Портативний рентгенофлуоресцентний спектрометр Спектроскан – S дає можливість визначати вміст 73 хімічних елементів. В екології його застосовують для контролю виробничих викидів, визначення концентрації металів у повітрі, воді, ґрунті, в пошуку руд, для контролю збагачення.

Мас-спектрометрія базується на розділенні газоподібних іонів у магнітному полі залежно від відношення величини маси йона (m) до його заряду (Z), яке впливає на інтенсивність сигналу. Метод застосовують переважно для визначення відносних ізотопних мас та ізотопного вмісту елементів, а також відносних молекулярних мас і структури органічних речовин. Мас-спектрометрією виявляють у ґрунті надзвичайно небезпечну забруднювальну речовину – тетрахлордибензодіоксин у концентрації 10^-6 мг/кг.

Метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР) відображає взаємодію магнітного моменту ядра молекули речовини із зовнішнім магнітним полем. Метод дає змогу працювати в широкому діапазоні концентрацій, визначати, зокрема, вміст різних форм алюмінію та інших металів у природних водах.

Радіометричні методи аналізу ґрунтуються на виявленні й вимірюванні як природної, так і штучної радіоактивності.

Для кількісного визначення радіоактивності використовують поняття абсолютної активності радіоактивних речовин, яку вимірюють у кюрі, та питомої активності – радіоактивності одиниці маси даної речовини, тобто міри відносного вмісту радіонуклідів у досліджуваному зразку. Її виражають числом розпадів за хвилину (чи секунду) і вимірюють у беккерелях.

Використовуючи природну радіоактивність, кількісно визначають понад 20 хімічних елементів, зокрема уран, торій, радій, актиній. Калій можна визначити у воді в концентрації 0,05 моль/л. Природна радіоактивність лежить у основі пошуку уранових руд за допомогою авіації та супутників.

Радіонукліди застосовують для виявлення пошкоджень у газопроводах, визначення місць витікання води з магістральних колекторів стічних і каналізаційних вод.

Активаційний аналіз ґрунтується на опроміненні нерадіоактивних елементів нейтронами, протонами та іншими високоенергетичними часточками, внаслідок чого вони набувають радіоактивності.

На практиці використовують відносний метод аналізу, коли за однакових умов опромінюють досліджуваний зразок і еталон з відомим вмістом визначуваного елементу. Часто зразок після опромінення розчиняють, здійснюють концентрування методами осадження, співосадження, екстракції, хроматографії і визначають активність продуктів розділення.

Метод ізотопного розбавляння полягає у введенні ізотопа визначуваного елемента в аналізований розчин, що набуває активності, потім цей елемент переводять в осад (екстрагують, хроматографують) і визначають активність розчину після його видалення. За різницею визначають активність осаду (екстракту, елюату) і обчислюють вміст компонента в зразку.

Рентгеноспектральний аналіз базується на послабленні інтенсивності рентгенівського випромінювання під час проходження крізь пробу. В рентгенофлуоресцентному аналізі на пробу діє первинне рентгенівське випромінювання, під впливом якого виникає вторинне рентгенівське випромінювання проби, характер якого залежить від якісного та кількісного складу аналізованої речовини.

Люмінесцентний аналіз ґрунтується на здатності речовин випромінювати світло під дією різних збудників: ультрафіолетового випромінювання або видимого світла (фотолюмінесценція), розламування (тріболюмінесценція), енергії хімічної реакції (хемілюмінесценція), яка дуже поширена в живій природі: світяться окремі види молюсків, ракоподібних, глибоководних риб, червів внаслідок взаємодії кисню з люциферином; ця реакція каталізується ферментом люциферазою, а явище називають біолюмінесценцією.

Деякі мінерали, наприклад флюорит CaF₂ , світяться при дії на них ультрафіолетового випромінювання, що використовують для безконтактного пошуку корисних копалин, зокрема нафти, виявлення плям нафти і нафтопродуктів на поверхні ґрунту чи водної гладі Світового океану.

Сортовий аналіз використовують для визначення якості зерна (свіже і зерно, що псується, світяться по-різному в УФ-променях), різних видів палива, виявлення забруднень, сурогатів, підробок.

Тривалий час у більшості екологічних, технологічних, біохімічних лабораторій домінували фотометричні методи. Однак зниження ГДК і необхідність визначення забруднювальних і токсичних речовин у надзвичайно малих концентраціях зумовили широке впровадження люмінесценції, яка має високу селективність, дає змогу працювати з малими об’ємами, що зумовлює її переваги перед фотометричними методами.

Люмінесцентним методом аналізують природні й стічні води, повітря, ґрунт, продукти, визначають нафтопродукти – до 0,005 мг/л, феноли – 0,0005, купрум – 0,05, у питній воді – плюмбум до концентрацій 0,005 мг/л, бензпірен – 0,00002 мг/л (ГДК цього забруднювача у повітрі населених пунктів – 0,0000001 мг/м ³).

У хемілюмінесцентному аналізі використовують суміш: люмінал + пероксид гідрогену (при рН >8,5), люцегенін + пероксид гідрогену (рН > 9 – виникає блакитна люмінесценція), силоксен + окисник (рН < 5,0, рожева люмінесценція); каналізують ці реакції деякі важки метали. Інтенсивність люмінесценції прямо пропорційна концентрації каталізатора (швидкості хімічної реакції), тому хемілюмінесценцію використовують у кінетичних методах аналізу. Метод дає змогу визначати метали в надзвичайно малих кількостях (до 10 ^{– 8} %).

Кількісний хемілюмінесцентний аналіз базується на вимірюванні інтенсивності або кількості виділеного в хімічній реакції світла фотографічним методом та за допомогою хемілюмінесцентних фотометрів. Хемілюмінесцентним методом визначають наявність мастил, каучуків, вітамінів, бітумів. Це один з найчутливіших методів, який даї змогу виявляти 10 – 10 ^{– 4} мкг/мл речовини.

Чутливість (найменша кількість речовини, яку можна виявити певним методом) інструментальних (фізичних та фізико-хімічних) методів аналізу наведена в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2

Чутливість інструментальних методів аналізу

Метод	Межа виявлення, г
Фотометрія Полярографія Атомно – абсорбційний спектральний аналіз Емісійний спектральний аналіз Кулонометрія Флуорометрія Газова хроматографія Кінетичний аналіз Мас – спектрометрія Радіоізотопний аналіз	1*10^– 6 1*10 ^– 8 1*10 ^– 10 1*10 ^– 10 1*10 ^– 10 1*10 ^– 10 1*10 ^– 11 1*10 ^– 11 1*10 ^– 12 1*10 ^– 15

2.5 Біохімічні методи дослідження

(самостійне вивчення)

Завдання: прочитати текст в підручнику Г.О. Білявський, Л.І. Бутченко «Основи екології: теорія та практикум» стр.189. Скласти конспект. Відповісти на питання для самоконтролю.

Основу біологічних та біохімічних методів дослідження становлять реакції рослин, тварин і мікроорганізмів на дію певного чинника. Зміни можуть відчуватися на різному рівні активності ферментів, проникності мембран та зміні інших органах клітини, окремих органів, систем, організмів в цілому, популяції, екосистеми.

Біологічні методи широко використовують з метою визначення стану довкілля (біоіндикація). Живі організми часто є тест-об`єктами при вивченні дії токсичних речовин (визначення ТДК летальних доз), фармакологічного ефекту лікарських препаратів тощо. Біологічні методи використовують в аналізі біологічно активних речовин (антибіотики аналізують за їх здатністю зупиняти ріст мікроорганізмів; накопичення фенольних сполук в листі рослин-сигнал про стресову ситуацію).

У більшості випадків визначають активність ферментів, оскільки вони мають високу чутливість і вибірковість дії та дають змогу численним хімічним реакціям у живому організмі відбуватися за звичайних умов.

Активність цих біохімічних каталізаторів залежить від багатьох чинників, оскільки вони мають білкову природу: pH середовища, наявності окремих катіонів металів, що можуть збільшувати чи зменшувати їх активність, окисно відновного потенціалу тощо.

Вивчення ферментних реакцій має величезне значення при дослідженні функцій і визначенні концентрацій мікроелементів та інших біологічно активних сполук.

Їх активність може бути тестом при вивченні забруднення довкілля окремими речовинами, зокрема важкими металами, що діють як ферментні отрути, кислотними оксидами тощо.

З метою контролю стану поверхневих природних вод використовують численні методи біотестування:

- зміну статичного стану п’явки медичної на динамічний;

- виживання та плодючість дафнії магна;

- біолюмінесценцію окремих видів бактерій тощо.

Склавши конспект, закрийте зошит та відповідайте на запитання.

ВИЗНАЧЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОГО СТАНУ ПОВІТРЯНОГО СЕРЕДОВИЩА

3.1 Загальні відомості

(лекція)

Дата добавления: 2015-05-23