Измерение концентрации – специфический вид измерений в метрологии

Количественный химический анализ представляет собой весьма специфический вид измерений. Для обеспечения качества таких измерений используются методы и приемы, не применяемые вовсе или применяемые крайне редко при измерении других физических величин.

Согласно «ГОСТ 8.417-2002 ГСИ. Единицы величин», концентрация относится к производным физическим величинам и характеризует, как следует из её определения, относительное содержание любого конкретного компонента, находящегося в исследуемом объекте.

Концентрация как физическая величина имеет существенные особенности, отличающие её от других физических величин:

1. Концентрация имеет целый ряд единиц и все они относится к производным единицам системы СИ. Первая особенность заключается в том, что у концентрации все её единицы являются производными единицами SI., в то время как у остальных физических величин только одна является единицей SI, а остальные относятся к внесистемным. Например, для длины только метр является единицей SI, дюйм, фут, миля – неметрические единицы, а ангстрем, световой год, парсек – внесистемные.

2. Концентрация может быть как размерной, так и безразмерной величиной. Вторая особенность является следствием первой. В зависимости от единиц, в которых выражаются абсолютное содержание компонента и анализируемый объект, единицы концентрации, а следовательно, и сама концентрация не только отличаются по своим размерностям, но могут быть и безразмерными. Такая специфика концентрации как физической величины не противоречит метрологии. Подобная специфика встречается у тех физических величин, в определение которых входит отношение двух физических величин одного и того же рода. Например, для единицы плоского угла – радиана или телесного угла – стерадиана. Отличие концентрации от таких физических величин состоит только в том, что у нее есть ряд подобных отношений. Например, отношения масс, объемов, молей.

3. Концентрация всегда является именованной величиной, она имеет смысл для конкретного компонента. Третья особенность концентрации обусловлена спецификой измерений при проведении химического анализа. Следствием неразрывного единства качественного и количественного анализов является тот факт, что, в отличие от общефизических величин, концентрация – это всегда "именованная величина", что нашло отражение и в определении концентрации, в котором подчеркивается, что речь идет об относительном содержании данного компонента. Указанная особенность имеет важные последствия для решения проблемы обеспечения единства измерений концентрации. В отличие от других физических величин для концентрации не представляется возможным создание эталона ни для одной из ее единиц.

Рассмотрим характеристики эталонов:

-- метрологическая функция – воспроизводить и хранить единицу физической величины;

-- метрологические характеристики – наивысшая точность по сравнению со всеми средствами измерений данной физической величины;

-- юридический статус – официальное утверждение в установленном порядке в качестве эталона.

Наряду с перечисленными характеристиками, существует eщё одно требование – возможность передачи размера единицы от эталона практически всем средствам измерений данной физической величины.

При создании эталона концентрации, даже если будут выполнены первые два требования, он будет воспроизводить не единицу абстрактной концентрации, а единицу концентрации какого-то конкретного компонента в совершенно конкретной среде. Возможность передачи размера единицы концентрации от данного компонента к другому будет ограничена не только диапазоном ее значений, хотя и это имеет существенное значение, но и влиянием качественного и количественного составов матрицы. Учитывая самый разнообразный характер анализируемых объектов не только по агрегатному состоянию, но и по основным химическим свойствам (органические, неорганические вещества, металлы), легко понять, что такой эталон не обеспечит передачу размера единиц концентрации всем рабочим средствам измерений, охватывающим все многообразие химических веществ. Рассчитать минимальное число таких эталонов не представляется возможным, да в этом и нет необходимости, так как при значительном их количестве нарушается сам принцип централизованного воспроизведения и передачи размера единиц, основанный на единственном эталоне, возглавляющем соответствующую поверочную схему.

Ещё одна особенность концентрации обусловлена тем, что экспериментально недостижимо состояние вещества, обозначаемое как абсолютно чистое. Следствием этого является тот факт, что все вещества, как природные, так и синтезированные, несмотря на глубокую их очистку, всегда будут содержать некоторое количество примесей. Таким образом, степень чистоты вещества, определяемая долей основного компонента в нем, по мере очистки будет стремиться к 1, но никогда не сможет стать равной 1. Это обстоятельство также накладывает свои ограничения на выбор способов воспроизведения и передачи размеров единиц концентрации.

Следует обратить внимание и на то, что, хотя концентрация и характеризует относительное содержание данного компонента в веществе, это не означает, что концентрация является относительной величиной.

Концентрация – это вещественная, неэлектрическая величина, а все средства измерения более сложные, чем мера, основаны на измерении электрических величин. Следовательно, для измерения концентрации требуется измерительный преобразователь. Отличие концентрации от других измеряемых физических величин состоит в том, что могут быть использованы всевозможные типы измерительных преобразователей, так как интенсивность многих свойств веществ и материалов зависит от их химического состава и содержания компонентов.

Согласно РМГ 29-99 измерительный преобразователь – техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

Измерительный сигнал, генерируемый измерительным преобразователем комплексного средства измерения для определения количества компонента, называют аналитическим сигналом. В большинстве методов аналитическим сигналом служит физическое или физико-химическое или свойство компонента.

Следующая особенность связана с измерением концентрации. Она обусловлена тем, что большинство применяемых методов химического анализа имеют скрытые систематические погрешности, зависящие от состава и свойств анализируемого вещества, его агрегатного состояния, внешний условий. Поэтому процедура химического анализа – это сложный и многостадийный процесс, в котором многие процедуры выполняются вручную до применения средства измерения. Подготовка пробы вещества к измерениям может включать следующие операции:

2. Перевод вещества в необходимое для анализа агрегатное состояние. Необходимость этой операции зависит от того, в каком агрегатном состоянии помещается проба анализируемого вещества в используемое средство измерения.

3. Разделение, маскирование или отделение мешающих анализу компонентов. Необходимость этих операций зависит от того, насколько селективно используемое средство измерения. Селективность – способность средства измерения измерить аналитический сигнал определяемого компонента на фоне других компонентов, образующих данное вещество или присутствующих в нем в виде примесей.

4. Концентрирование определяемого компонента. Необходимость этих операций зависит от диапазона измеряемых значений физической величины используемым типом средства измерения.

5. Получение аналитической формы определяемого компонента. Необходимость этих операций зависит от того, какая форма определяемого компонента формирует аналитический сигнал.

Наличие перечисленных неизмерительных операций приводит к появлению методической и субъективной составляющей погрешности результата анализа.