И продовольственных товаров к анализу

Лекция № 4. Подготовка проб промышленных

Вопросы:

1. Физические приемы подготовки пробы;

2. Способы подготовки пробы для перевода ее в раствор;

3. Способы подготовки пробы для перевода ее в газообразную фазу;

4. Разделение и концентрирование компонентов пробы.

Ситуация, когда, отобрав пробу, можно непосредственно приступить к аналитическим измерениям, является крайне редкой. Определению предшествуют перевод пробы в удобную для анализа форму (агрегатное состояние), ряд предварительных химических операций (например, маскирование), выделение и концентрирование определяемых компонентов, их превращение в определяемую форму с более выраженными аналитическими свойствами, создание благоприятных условий для измерения аналитического свойства. Все эти операции объединяют одним термином – подготовка пробы.

Перед проведением анализа пробу необходимо высушить (полностью или до некоторого постоянного уровня) или определить в ней содержание воды. В противном случае нельзя будет точно рассчитать в ней содержание компонентов.

На практике используют следующие способы удаления влаги:

v Высушивание на воздухе;

v Высушивание в сушильных шкафах при температуре 105–120 °С;

v Высушивание в эксикаторах над влагопоглощающими веществами (хлорид кальция, фосфорный ангидрид, перхлорат магния и др.);

v Лиофильное высушивание – в замороженном состоянии при температуре до –85 °С);

v Вакуумная сушка;

v Сушка с использованием микроволнового излучения.

Для количественного определения воды используют гравиметрический и титриметрический методы.

При разложении (вскрытии) пробы определяемые компоненты чаще всего стремятся перевести в раствор, поскольку определение всеми без исключения химическими и многими физико-химическими методами ведется в растворах (как правило, водных). Для операций разложения и растворения, особенно трудноразлагаемых и труднорастворимых веществ, не существует универсальных рецептов. Выбор метода и реагента определяется прежде всего составом и свойствами анализируемого объекта. Следует учитывать также возможности потерь определяемых компонентов, например, из-за улетучивания в виде легколетучих соединений (гидриды, оксиды, галогениды), внесения загрязнений реагентами, необходимыми для разложения, и мешающего влияния вводимых посторонних веществ на последующих стадиях анализа.

В аналитической практике применяются следующие растворители:

v Вода;

v Вода+минеральные кислоты;

v Вода+этанол;

v Спирты, хлорированные углеводороды, кетоны; метанол, циклогексанон и др.;

v Разбавленные или концентрированные кислоты.

Однако пробы редко удается перевести в раствор в обычных условиях, растворяя их в воде или подходящих растворителях. Поэтому основными способами разложения являются такие сильнодействующие методы, как кислотное разложение, сплавление или спекание, сухое разложение.

Кислотное (мокрое) разложение проб с неорганической матрицей (металлы, сплавы, минералы, руды, стекла, керамика) ведут, как правило, при высокой температуре, обрабатывая пробу минеральными кислотами (HCI, HN0₃, H₂S0₄, HCI0₄, HF, Н₃Р0₄) или их водными растворами. Часто используют смеси кислот без окислительного действия и кислот-окислителей или кислот, анион которых способен выступать в качестве комплексообразующего лиганда.

Для мокрого окисления проб с органической матрицей применяют горячие растворы сильных окислителей: концентрированной H₂S0₄, смеси концентрированных H₂S0₄ или НС10₄ с HN0₃. В этом случае необходимо считаться с потерями определяемых элементов в форме летучих соединений.

Для повышении эффективности процесса разложения, а также снижения его трудоемкости и энергоэффективности сегодня минеральные кислоты применяют в комплексе с различными физическими факторами: ультрафиолетовое и микроволновое излучение, конвективный подвод тепла, повышенное давление и т.д.

Если неорганическая проба не растворяется полностью в кислоте, ее подвергают сплавлению при нагревании в тигле из специального материала (платина, цирконий, никель, фарфор). После охлаждения расплав растворяют в воде или разлагают необходимой кислотой (операция выщелачивания). При щелочном сплавлении в качестве плавней применяют карбонаты, гидроксиды, бораты щелочных металлов и их смеси, а также обладающие окислительным действием пероксиды. Реже используют кислые расплавы, например пиросульфат и гидросульфат калия, оксид бора.

Разложение органических веществ сплавлением проводят в расплаве пероксида натрия. При этом большинство элементов количественно превращается в натриевые соли соответствующих оксоанионов (карбонат, сульфат, фосфат и т. п.).

Для разложения органических соединений также применяют сухое озоление. Анализируемое вещество нагревают на воздухе, в токе кислорода (например, в стеклянной или кварцевой трубке) или в закрытом сосуде (кислородная бомба). По мере сгорания пробы ряд интересующих элементов (углерод, водород, азот, кислород, галогены, сера) превращается в газообразные продукты. Продукты сжигания поглощают подходящим растворителем и затем анализируют тем или иным методом. В твердом остатке после его растворения определяют нелетучие компоненты.

Сухое озоление применяют и тогда, когда анализу подвергается не раствор, а газообразная фракция. В таком случае продукты сжигания поглощают подходящим поглотителем и проводят анализ, в том числе в автоматическом режиме, используя газоанализаторы.

Для получения газообразной аналитической пробы применяют и другой способ разложения – пиролиз. Пиролиз – разложение в отсутствии реагирующих веществ осуществляют несколькими способами:

v Прокаливание в тигле;

v Нанесение на металлическую проволоку;

v Облучение лазером или потоком электронов высокой энергии и др.;

Для поглощения продуктов пиролиза применяют твердые сорбенты.

Составной частью стадии подготовки пробы является разделение и концентрирование ее компонентов. Эти операции имеют целью предотвратить мешающее действие посторонних веществ и повысить концентрацию определяемого компонента.

Их необходимость обусловлена двумя проблемами. Прежде всего многим аналитическим методам присущ общий недостаток – невысокая избирательность определения. Этот недостаток связан с тем, что химические и физические свойства веществ, на которых основаны аналитические методы, редко бывают специфичными. Поэтому присутствие посторонних веществ не только сказывается на правильности, чувствительности и воспроизводимости определения, но и может привести к ситуации, когда определение становится невозможным. В силу этого перед определением данного компонента необходимо устранить мешающее влияние остальных компонентов пробы. В принципе здесь возможны два пути. Можно изменить состав анализируемого раствора химически таким образом, что мешающий компонент становится неактивным. Типичными примерами служат изменение степени окисления этого компонента или введение комплексообразующего реагента, избирательно взаимодействующего с мешающим веществом и уменьшающего его концентрацию до уровня, при котором мешающим влиянием можно пренебречь. В последнем случае говорят о маскировании, которое можно также понимать как внутреннее разделение. Другой прием дает возможность устранить мешающее влияние посторонних веществ путем физического отделения этих веществ от определяемого или избирательного выделения определяемого вещества из анализируемой смеси.

Еще одна проблема, с которой часто встречаются аналитики в своей практике, такова: концентрация определяемого компонента ниже предела чувствительности данного метода. В этом случае необязательно обращаться к другому, более чувствительному методу. Достаточно выделить и концентрировать данный компонент тем или иным методом.

Различают абсолютное и относительное концентрирование. Абсолютное концентрирование подразумевает увеличение концентрации всех микрокомпонентов пробы, например, при их переводе из большого объема раствора в малый. Однако чаще требуется провести относительное концентрирование с отделением определяемого микрокомпонента от мешающих макрокомпонентов (или удалением последних). Таким образом, методы концентрирования непосредственно смыкаются с методами разделения.

Применяемые в аналитической химии методы разделения и концентрирования веществ весьма разнообразны и основываются на различных принципах и различных свойствах веществ (размер частиц, летучесть, растворимость, скорость движения в электрическом поле, адсорбционные и ионообменные свойства, комплексообразующая способность). Однако общим для большинства методов является избирательное распределение компонентов анализируемой смеси между двумя фазами или избирательный перенос вещества из одной фазы в другую.

Дата добавления: 2014-01-07