Безпальченко В.М.

© ХНТУ, 2013

 

Вступ

 

Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт розроблено для студентів другого курсу напряму підготовки 6.051301 – Хімічна технологія технічного університету. Методична розробка містить стислий виклад теорії з інструментальних методів хімічного аналізу, опис лабораторних робіт, питання та завдання для самоконтролю, розрахункові задачі, а також правила роботи в хімічній лабораторії.

Містяться лабораторні роботи з оптичних (фотоколориметрія, флуориметрія, нефелометрія, рефрактометрія, поляриметрія), електрохімічних (кондуктометрія, потенціометрія, кулонометрія) і радіометричних методів аналізу.

Опис лабораторних робіт містить мету, обладнання і реактиви, опис приладів і правила роботи з ними, докладну методику виконання роботи, приклади реакцій, розрахунків й очікуваних результатів. Така побудова дозволяє проводити лабораторні досліди без додаткових вказівок, що має важливе значення для підготовки студентів до самостійного виконання наукових робіт. Результати, що отримує студент в ході виконання лабораторної роботи, записуються у відповідні таблиці. По кожній виконаній лабораторній роботі студент повинен зробити висновок, а саме чи побудувати графік, чи написати рівняння реакції, свої спостереження, обов’язково студент заповнює таблицю, в якій вказує похибки визначення тієї чи іншої речовини. Ці похибки відображають ступінь опанування студентом даної теми, методики роботи та практичних навичок. Під час виконання запропонованих робіт студенти не тільки опановують сучасні інструментальні методи хімічного аналізу, але й набувають уміння аналізувати одержані результати.

Після кожної лабораторної роботи чи теоретичного розділу наведено контрольні питання і задачі, які спрямовують студентів для самостійного опанування матеріалу.

 

1. Техніка безпеки і перша допомога в хімічній лабораторії

Виконання лабораторних робіт розраховано на одержання навичок експериментальної роботи. Перш ніж починати виконання якого-небудь експерименту, слід познайомитися з устаткуванням і приладами, застосовуваними при його виконанні, правилами роботи в хімічній лабораторії і технікою безпеки. Не починати здійснення досліду, поки не стане ясною мета його, поки не перевірено наявність устаткування, необхідного для досліду (посуд, прилади, реактиви).

При роботі точно зберігайте порядок і послідовність операцій проведення дослідів.

Важливо навчитися правильно обробляти отримані експериментальні дані й оцінювати помилки експерименту. Основним місцем виконання лабораторних робіт є робочий стіл, на якому мається визначений набір устаткування. Працюйте завжди в халаті. Під час проведення досліду на робочому місці не повинно бути нічого зайвого. Перш ніж приступити до роботи, ретельно вивчіть її по опису, підготуйте необхідні прилади і реактиви. Уважно спостерігайте за ходом досліду, відзначаючи і записуючи кожну його особливість (випадання осадів, зміну забарвлення, температури).

Студенти, що пройшли інструктаж з техніки безпеки і розписалися в журналі, допускаються до роботи тільки в присутності викладача чи відповідального за лабораторію.

Користайтеся реактивами, приготовленими для даної лабораторної роботи. Роботи зі шкідливими речовинами виконуйте тільки під тягою при увімкненій витяжній системі. Забороняється досліджувати властивості речовин без дозволу викладача, а також пити воду з хімічного посуду. Не нюхайте гази, що виділяються, близько нахиляючись до посудини. При визначенні запаху газу чи рідини обережно вдихайте повітря, злегка направляючи рукою струм його від посудини до себе. При нагріванні пробірки не тримайте її отвором до себе чи убік товаришів.

Якщо випадково проллєте кислоту чи луг, то швидко змийте їх водою, а потім зверніться до лаборанта і за його вказівкою приведіть у належний порядок своє робоче місце. Не витрачайте реактивів більше необхідної кількості. Якщо ж випадково взяли розчину чи сухих препаратів більше, ніж необхідно, то надлишки викидайте (за вказівкою викладача чи лаборанта) у спеціальні сміттєзбірники, щоб уникнути забруднень реактиву. Не несіть прилади, апарати загального користування на своє робоче місце. Не плутайте пробки від краплинних піпеток і реактивних склянок. Не виливайте в раковину відпрацьовані концентровані кислоти і луги, а користайтеся для цього банками, установленими під тягою. Папір і залишки твердих речовин кидайте в урни. Відпрацьовані розчини солей срібла виливайте в спеціально відведений посуд, тому що при тривалому зберіганні аміачних розчинів солей срібла може утворитися вибухова речовина – гримуче срібло. Після закінчення роботи вимийте використаний посуд, виключіть воду й електрику, приведене в порядок робоче місце здайте лаборанту. Підсумки заняття запишіть за установленою формою в робочий журнал і щораз давайте на підпис викладачу. При нещасних випадках негайно заявляйте лаборанту і викладачу. У лабораторії є настінна аптечка з необхідним для екстреної допомоги.

Запам'ятайте!

1. При запаленні бензину, спирту, ефіру накрийте полум'я азбестом чи засипте піском.

2. У випадку загоряння одягу слід гасити полум'я обгортанням у ковдру чи ін. Ні в якому разі не бігти.

3. У випадку порізу склом переконайтеся, що в ранці немає осколків, і ватою, змоченою етиловим спиртом чи перманганатом калію, видаліть кров, змажте йодом і забинтуйте.

4. При термічних опіках (від вогню, пари, гарячих предметів чи електричної дуги) накладіть пов'язку (марля, бинт), змочену розчином з масовою часткою KMnО₄ 3 %, розчином з масовою часткою стрептоциду 2 % чи розчином харчової соди. Не можна змазувати опік вазеліном чи жиром.

5. При опіках кислотами насухо витріть опік рушником, промийте великою кількістю води чи розчином з масовою часткою харчової соди 2 – 3 %, чи слабким розчином амоніаку. У випадку опіку плавиковою кислотою (HF) тривало промивайте постраждале місце водою (до появи почервоніння), а потім прикладіть суспензію з масовою часткою магній оксиду 20 % у гліцерині.

6. При опіках лугами обмийте водою і нейтралізуйте лимонною кислотою чи розчином з масовою часткою оцтової кислоти 1 – 2 %.

7. При отруєнні кислотами – визвати блювоту, рот обполоскати водою і розчином з масовою часткою харчової соди 5 %, випити молоко.

8. При отруєнні лугами – визвати блювоту, випити розчин з масовою часткою оцтової кислоти 1-2 %. При кровотечі з носа треба наложити холодні компреси на лоб та перенісся, а у ноздрю помістити тампон з 3 % розчином Н₂О₂.

2. ОПТИЧНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ

 

До фотометричних відносяться методи аналізу, які засновані на поглинанні або випромінюванні видимого світла розчинами або твердими прозорими тілами.

 

Рис. 1. Класифікація фотометричних методів аналізу

 

2.1. Абсорбційна фотометрія

 

Абсорбційна фотометрія – метод аналізу, який заснований на вимірі ступеня послаблення монохроматичного світлового потоку внаслідок вибіркового поглинання світла розчиненою речовиною. Теоретичним обґрунтуванням фотометрії є закон Бугера-Ламберта-Бера: ,

де та – відповідно вхідний та вихідний світлові потоки, e – коефіцієнт поглинання (залежить від природи речовини і температури), – товщина шару розчину, C – концентрація речовини.

– оптична густинарозчину або екстинкція.

Залежність оптичної густинивід концентрації відповідно до закону лінійна і проходить через початок координат. Нахил прямої буде залежати від молярного коефіцієнту поглинання, де .

Правила проведення фотометрії та розрахунок результатів досліджень

 

В роботі з фотометричною апаратурою слід дотримуватись умов вимірювання, що рекомендуються методикою виконання досліджень. Таких умов, як правило, три: товщина робочого шару кювети, довжина світлової хвилі і спосіб розрахунку результатів аналізу. Для вимірювання за допомогою фотоколориметрії застосовують оптичні кювети з товщиною робочого шару 5 мм або 10 мм, рідше 3 мм. Довжина світлової хвилі, яка зазначається в методиках, визначається фізико-хімічними властивостями розчинів. Візуальними проявами таких властивостей може бути прозорість і забарвлення розчинів. Якщо в методиці не вказані товщина робочого шару кювети і довжина світлової хвилі, то можливо підібрати їх самостійно. Для вибору довжини світлової хвилі проводять вимірювання на всіх довжинах хвиль, що можливо встановити у приладі. Зупиняються на тій довжині, що дає найбільшу оптичну густину. Чим вище значення оптичної густини, тим менше буде ціна однієї позначки шкали оптичної густини та величина можливих випадкових помилок в самому процесі вимірювання.

Існують наступні способи розрахунків результатів досліджень: 1) використання умовних одиниць; 2) розрахунки за стандартними (еталонними) розчинами; 3) розрахунки за калібрувальним графіком; 4) розрахунки за коефіцієнтом перерахунку (за фактором).

Умовні одиниці (у.о.) – це примітивний варіант визначення результатів аналізу. Найчастіше це одиниці оптичної густини розчинів. В деяких лабораторних методиках оптичну густину, одержану при вимірюванні, множать на 100, 1000 або інший коефіцієнт. Отримують показники більш зручні для роботи або порівняння. Використовують умовні одиниці в методиках, що найдавніше використовують у лабораторіях, наприклад, для визначення сіалових кислот, ліпопротеїдів.

Розрахунки результатів досліджень за стандартними (еталонними) розчинами. Стандартні розчини обробляють паралельно з серією досліджуваного матеріалу в тих же умовах, що й досліджуваний матеріал. Їх використовують в тих випадках, коли мова йде про складні методики, що дають значні похибки. Стандартні розчини нівелюють всі можливі відхилення, але недоліком їх використання є підвищений розхід реактивів і робочого часу, що пов'язано з необхідністю регулярної постановки стандартних проб. Стандартні розчини мають строго визначену концентрацію певної речовини. Готують їх з реактивів кваліфікації чистоти "х.ч." Розрахунок результатів досліджень, що виконується за стандартними розчинами, проводять за простою арифметичною пропорцією: Е_ст – С_ст

Е_д – С_д С_д = С_ст · Е_д/Е_ст,

де Е_ст і Е_д – оптичні густини відповідно стандартного розчину і досліджуваної проби, С_ст і С_д – концентрації відповідно стандартного розчину і досліджуваної проби.

Розрахунки результатів досліджень за калібрувальним графіком є зручним варіантом розрахунків, що не потребує зайвих витрат робочого часу та реактивів, як при постановці стандартних проб. Використання калібрувальних графіків доцільно тільки в методиках зі стабільними умовами проведення та добрим підпорядкуванням результатів вимірювання основному закону фотометрії. Калібрувальні графіки будують для кожного фотометру окремо і неприпустимим є їх використання для іншого приладу, навіть у випадку використання однотипних приладів. Періо­дично, звичайно не рідше одного разу на рік, калібрувальні графіки слід перевіряти, а при необхідності – будувати заново. Будують калібрувальні графіки одноразово при дослідженні серії калібрувальних розчинів певного складу. Серія складається з 3-5 стандартних розчинів, які відрізняються між собою концентрацією у порядку пропорційного збільшення її величини. З кожного стандартного розчину проби беруть у паралелях для запобігання можливих похибок піпетування. Для кожної концентрації треба одержати не менше трьох результатів значень оптичної густини. Для побудови графіку розраховують її середнє арифметичне значення. Будують калібрувальний графік на міліметровому папері. Вибирають масштаб значень концентрації й оптичної густини таким чином, щоб калібрувальна крива проходила під кутом 45^о або наближалась до цього значення. Для зручності в роботі на основі калібрувального графіку складається калібрувальна таблиця, де навпроти кожного значення оптичної густини вказується відповідна їй концентрація досліджуваного компоненту.

Розрахунки результатів досліджень за допомогою коефіцієнту перерахунку (фактора перерахунку). Даний варіант розрахунку найбільш простий і швидкий. Розрахунки виконують за формулою: С_д = F · Е_д,

 

де С_д – концентрація досліджуваного компоненту, F – коефіцієнт перерахунку, Е_д – оптична густина досліджуваної реакційної суміші.

Застосування коефіцієнту перерахунку, як і калібрувального графіка, обмежується методикам з добрим підпорядкуванням результатів вимірювань основному закону фотометрії. Коефіцієнт перерахунку є специфічною величиною для кожного окремого тесту. Як правило, коефіцієнт перерахунку вказується в методиці, але краще його розрахувати самостійно. При цьому враховуються особливості проведення реакції та технічні можливості вимірювальної апаратури лабораторії. Щоб вивести коефіцієнт перерахунку, проводять дослідження стандартних розчинів необхідної речовини або використовують побудований калібрувальний графік. Коефіцієнт перерахунку обчислюють за формулою: F= .

Коефіцієнти перерахунку вимагають періодичної перевірки, звичайно, не рідше одного разу на рік, при необхідності виводять заново.

Сьогодні актуальність розрахунків даного типу зростає. Це пов'язано з комп'ютеризацією сучасних фотометрів, а також з використанням автоаналізаторів. В апаратурі такого рівня коефіцієнт перерахунку вводиться у пам'ять комп'ютера і при вимірюванні оптичної густини досліджуваного розчину концентрація компоненту розраховується і видається автоматично.

Лабораторна робота № 1

Фотоколориметричний аналіз

Мета роботи: визначити концентрацію барвника в розчині.

Обладнання і реактиви: колориметр-нефелометр фотоелектричний ФЭК-56М, колби мірні об’ємом 25 мл, піпетки на 1 мл, набір кювет, еталонний розчин прямого бордо з концентрацією 0,5 г/л або іншого барвника.

Колориметр-нефелометр фотоелектричний ФЭК–56М дозволяє проводити виміри у діапазоні довжин хвиль від 315 до 630 нм. Має 9 світлофільтрів, з яких дев’ятий є орієнтиром, для точних вимірів непридатний. Джерело світла – лампа накалювання або ртутно-кварцова лампа. Прилад забезпечує вимірювання оптичної густини у межах від "0" до "3,0" (оптимум 0,2-0,7). Вимірювальні барабани мають дві шкали: чорну – для коефіцієнтів пропущення та червону – для оптичної густини.

 

9 8 7 5 6 2 10 4 3 6 5 1

Рис. 2. Колориметр-нефелометр фотоелектричний ФЭК–56М

1 – вимірювальна частина приладу; 2 – посилювач; 3 – робоча камера (кюветне відділення); 4 – амперметр; 5 – відліковий барабан; 6 – шкала барабана; 7 – ручка управління чутливістю; 8 – ручка управління темнового електричного нуля; 9 –перемикач світлофільтрів; 10 – важіль "шторка".

Правила роботи з колориметром ФЭК – 56М

1. Увімкнути прилад у мережу, прогріти 15–20 хвилин.

2. Встановити "електричний нуль" приладу: при закритій шторці ручкою "нуль" встановити стрілку мікроамперметру на "0".

3. Ввести у лівий світловий потік на весь час вимірів кювету з контрольним розчином (дистильована вода).

4. Встановити відлікові барабани у нульове положення по червоній шкалі.

5. У правий світловий потік ввести кювету з досліджуваним розчином.

6. Відкрити шторки і обертанням лівого барабану встановити стрілку мікроамперметру на "0".

7. Замінити у правому світловому потоці кювету з досліджуваним розчином на кювету з контрольним. Стрілка мікроамперметру відхиляється вправо.

8. Встановити правим відліковим барабаном стрілку мікроамперметру в нульове положення.

9. Знімають показання оптичної густини по червоній шкалі правого барабана. Виміри повторюють три рази, щоб виключити похибку приладу; знаходять середнє арифметичне значення (Dсер.).

10. По закінченні роботи вимкнути прилад із мережі.