Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

img-090539

.pdf
Скачиваний:
53
Добавлен:
31.05.2019
Размер:
12.33 Mб
Скачать

Глава 11. Методы химического анализа природных вод

311

тельными и информативными методами. Быстро развивались и со­ вершенствовались атомно-абсорбционные, рентгеновские, ядернофизические и другие методы определения элементов, использова­ лась в анализе лазерная техника. Весьма важным направлением стала автоматизация методов анализа и обработки результатов из­ мерений. Создавались высокоэффективные аналитические систе­ мы, которые включают кроме аналитических блоков электронновычислительную технику, позволяющую быстро производить опе­ рации по идентификации и определению малых количеств органи­ ческих и неорганических веществ. В результате современная ана­ литическая химия природных вод располагает широким арсеналом методов, позволяющих определять макро- и микрокомпоненты ор­ ганического и неорганического происхождения. Как правило, ко­ личественному определению того или иного компонента предшест­ вуют операции предварительного выделения этого компонента и его отделения от других соединений.

Используемые в настоящее время в практических целях методы химического анализа природных вод можно подразделить на: 1 ) хи­ мические: 2) электрохимические; 3) оптические; 4) фотохимиче­ ские; 5) хроматографические. Такие сложные физико-химические методы анализа, как хромато-масс-спектрометрический, нейтрон­ но-активационный, радиохимический, а также методы низкотем­ пературной люминесценции, несмотря на их высокую информатив­ ность, не нашли пока широкого применения при проведении массо­ вых определений из-за их сложности и дорогостоящей аппаратуры.

11.1.Х им ические м етоды

Кхимическим относятся методы, предусматривающие проведе­ ние химической реакции и последующее количественное определе­ ние образующихся продуктов реакции. В настоящее время это в основном методы объемного анализа. Распространенные ранее весо­ вые методы из-за их трудоемкости и длительности используются изредка в качестве арбитражных, когда возникают разногласия, например, при определении сульфатов, высоких концентраций нефтепродуктов, жиров.

Методы объемного анализа предусматривают взаимодействие исследуемого компонента с реактивом, который добавляется в виде раствора определенной концентрации (титрующий раствор) до того момента, когда количество прибавленного реактива не станет экви­ валентно количеству определяемого компонента в растворе. Этот процесс называется т ит рованием , а момент окончания титрова­ ния — точкой эквивалент ност и. Конец титрования обычно уста­ навливают по изменению цвета индикатора, то есть вещества, кото­

312

Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии

рое изменяет свою окраску при концентрациях реагирующих ве­ ществ, близких к точке эквивалентности. Индикатор и условия титрования выбирают так, чтобы точка титрования индикатора совпадала с точкой эквивалентности или была возможно ближе к ней.

Чувствительность методов объемного анализа 10“3—10-4 % (мас­ совая доля), погрешность определения 0,5—1,5% . Основным пре­ имуществом объемного анализа являются простота, быстрота опре­ деления, а также широкие возможности использования разнооб­ разных химических свойств веществ. Благодаря этим достоинствам методы объемного анализа в настоящее время являются основными при определении макрокомпонентов природных вод.

В зависимости от типа реакций методы объемного анализа де­ лятся на четыре большие группы: 1 ) кислотно-основное титрование; 2) титрование окислителями и восстановителями; 3) осаждение; 4) титрование с образованием комплексов.

При кислотно-основном т ит ровании в качестве титрованных растворов обычно применяют кислоты и щелочи. В гидрохимии этим методом определяют диоксид углерода и гидрокарбонаты.

Метод определения диоксида углерода основан на количествен­ ном переводе угольной кислоты в ионы НСО3 при титровании про­ бы щелочью (pH 8,2—8,4) в присутствии индикатора фенолфта­ леина:

Н2С03 + ОН = НСОз + Н20;

(11.1)

Н2С03 + СОг3- = 2НС03.

(11.2)

Для определения гидрокарбонатных и карбонатных ионов ис­ пользуется их взаимодействие с сильной кислотой в результате чего образуется Н2С03, которая распадается на С02 и Н20:

Н2СОз + Н+# Н 2С03 -> С02Т + Н20;

(11.3)

С 0^+2Н +<±Н2С03-*С02Т+ Н20.

(11.4)

Метод предусматривает добавление избытка соляной кислоты (до pH ~3), удаление образующегося диоксида углерода и после­ дующее оттитровывание избытка кислоты раствором буры Na2B40 7 в присутствии смешанного индикатора метилового красного — ме­ тиленового голубого.

Тит рование окислит елям и и восст ановит елями применяется в основном при определении растворенного кислорода и окисляемо­ сти. Определение растворенного кислорода основано на взаимодей­ ствии гидроксида марганца с растворенным в воде кислородом, в результате чего образуется нерастворимое соединение четырехва­

Глава 11. Методы химического анализа природных вод

313

лентного марганца коричневого цвета. При подкислении раствора в присутствии избытка иодистого калия образуется иод, количество которого эквивалентно содержанию растворенного кислорода и учитывается титрованием раствора тиосульфата:

Mg2+ + 20Н Мп(ОН)2;

(11.5)

2Мп(ОН)2 + 0 2 -» 2МпО(ОН)2 (коричневый);

(11.6)

МпО(ОН)2 + 4Н+ + ЗГ -> Мп2+ + Г3 + ЗН20;

(11.7)

I3 + 2S20 1~ -> ЗГ + S40 2'.

(11.8)

Определение бихроматной окисляемости основано на окислении органических веществ бихроматом калия в кислой среде (в присут­ ствии катализатора), избыток которого титруют раствором железо­ аммонийных квасцов.

Сг20 2~ + 14Н+ + 6 ё -►2Сг3+ + 7Н20.

(11.9)

М етоды осаждения используются при определении сульфатов и хлоридов. Метод определения сульфатов основан на их взаимодей­ ствии с солями свинца, в результате чего образуется слабораство­ римый осадок PbS04 в присутствии индикатора дитизона. В экви­ валентной точке окраска индикатора изменяется из сине-зеленой в красно-фиолетовую.

Метод определения хлоридов основан на малой растворимости хлорида серебра AgCl, который выпадает из раствора при добавле­ нии нитрата серебра AgN03к воде, содержащей хлоридные ионы:

Ag+ + СГ = AgCll (белый осадок).

(11.10)

После полного осаждения хлоридов избыток ионов серебра вступает в реакцию с ионами хромовой кислоты, которую добавляют как ин­ дикатор. При этом образуется осадок хромата серебра красного цвета.

Примерами т ит рования с образованием комплексов могут служить реакции взаимодействия ионов кальция и магния с трилоном Б, с которым эти ионы образуют малодиссоциированные ком­ плексы.

11.2. Э лектрохим ические м етоды

Группа электрохимических методов основана на измерении электрохимических свойств компонентов — окислительного потен­ циала, электрической проводимости, силы полярографического то­

314

Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии

ка и т. д. Основные достоинства этих методов — простота выполне­ ния определений, легкость автоматизации, низший предел обнару­ жения (массовая доля) 10-151 0 7%, невысокая погрешность

(0,5—5%).

П от енциом ет рический мет од анализа основан на измерении потенциала электрода, изменяющегося в результате химических реакций и зависящего от температуры и концентрации анализи­ руемого раствора. Использование ионселективных электродов, вы­ пускаемых отечественной промышленностью, позволило значи­ тельно расширить возможности практического применения метода в аналитическом контроле вод (pH, ионы натрия, кальция, магния, аммония, фториды, хлориды, нитраты и т. д.).

Метод титрования, при котором точку эквивалентности уста­ навливают по резкому скачку потенциала электрода, погруженного в анализируемый раствор, называют потенциомет рическим т ит ­ рованием. Этот метод преследует чисто прикладную цель количест­ венного определения данного вещества в растворе путем его титро­ вания стандартным раствором соответствующего реагента. При титровании в исследуемый раствор опускают индикаторный элек­ трод, возникновение потенциала на котором обусловливается опре­ деляемым веществом непосредственно (если оно электроактивно) или косвенно (если оно неэлектроактивно) в результате химической реакции. В процессе данного взаимодействия за изменением кон­ центрации определяемого вещества следят по изменению потен­ циала индикаторного электрода.

Для обнаружения скачка потенциала в конечной точке титрова­ ния применяются расчетные и графические способы. Первый спо­ соб основан на проведении ориентировочного титрования равно­ мерными большими порциями стандартного раствора. Второй спо­ соб заключается в построении кривой титрования и нахождении точки перегиба.

Метод потенциометрического титрования используется при оп­ ределении широкого круга ионов, входящих в состав природных вод в относительно высоких концентрациях: гидрокарбонатов, сульфатов, органических кислот и др. Анализ можно проводить в окрашенных и мутных водах.

К ондукт ом ет рический мет од основан на измерении электро­ проводимости анализируемых растворов электролитов, обуслов­ ленной движением ионов под действием электрического тока. Зна­ чение электрической проводимости зависит от природы электроли­ та, его температуры и концентрации раствора. В гидрохимии кон­ дуктометрический метод используется при определении общей ми­ нерализации.

П олярограф ический мет од основан на измерении тока, изме­ няющегося в зависимости от напряжения в процессе электролиза, в

Глава 11. Методы химического анализа природных вод

315

условиях, когда один из электродов (катод) имеет очень малую по­ верхность (поляризующийся электрод), а другой (анод) — большую (неполяризующийся электрод). Поляризующимся катодом в клас­ сическом варианте являются капли ртути, вытекающие из тонкого отверстия капиллярной трубки. В настоящее время широкое рас­ пространение получили катоды: платиновый (вращающийся), гра­ фитовый, серебряный, стеклоуглеродный и др. Неполяризующимся анодом является „донная” ртуть или стандартные электроды срав­ нения с большой поверхностью. Ток, при котором достигается пол­ ный разряд всех ионов анализируемого вещества, поступающих в приэлектродное пространство вследствие диффузии, называется предельным диффузионным током.

Различные варианты полярографического метода нашли широ­ кое распространение, главным образом в определении содержания ряда металлов (Cu, Zn, Pb, Cd, Ni и др.) в природных водах.

11.3.О птические м етоды

Воснове метода лежит способность всех веществ поглощать лу­ чистую энергию в виде квантов, соответствующих определенным

длинам волн. Для количественной оценки концентрации веществ используются линии, или полосы, поглощения, располагающиеся в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной областях спектра.

С пект роф от ом ет рический и ф от ом ет рический м ет оды ос­ нованы на законе Бугера—Ламберта—Бэра, устанавливающем за­ висимость между оптической плотностью (D ) исследуемого вещест­ ва, его концентрацией и толщиной слоя раствора вещества:

£> = lg (/„ //) = еС/,

(11.11)

где I — интенсивность света, прошедшего через раствор; 10 — ин­ тенсивность падающего на раствор света; е молярный коэффици­ ент поглощения; С — концентрация поглощающего вещества, моль/л; I — толщина слоя светопоглощающего раствора, см.

Выполнение определения данным методом включает две основ­ ные процедуры: переведение исследуемого компонента в соедине­ ние, поглощающее свет, и нахождение его концентрации путем из­ мерения светопоглощения раствора. В зависимости от технических условий концентрацию раствора можно определять:

визуально — путем сравнения цвета и интенсивности окраски исследуемого раствора с цветом и интенсивностью окраски стан­ дартного раствора; этот способ называется колориметрическим и в настоящее время применяется крайне редко;

с помощью прибора, который снабжен фотоприемниками (фото­ электроколориметрами), превращающими световую энергию в элек­

316

Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии

трическую, и светофильтрами, выделяющими определенную узкую область спектра; этот способ имеет существенные преимущества перед колориметрическим, поскольку является объективным и не зависит от особенностей зрения наблюдателя, проводящего визу­ альное сравнение;

спектрофотометрически — с помощью прибора, когда измере­ ния проводят при оптимальной длине волны; в этом случае значи­ тельно повышается чувствительность определения.

Спектрофотометрический метод включает измерение светопоглощения по спектру падающего излучения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра при строго определен­ ной длине волны, которая соответствует максимуму кривой погло­ щения исследуемого вещества.

Фотометрический метод основан на определении спектра по­ глощения или измерении светопоглощения в видимом участке спектра. В отличие от светофотометрического, в фотометрическом методе используют световое излучение, пропущенное через широ­ кополосные светофильтры.

Концентрацию компонента при фотометрическом и спектрофо­ тометрическом определении находят по градуировочному графику.

Достоинствами методов являются их низкий предел обнаруже­ ния (массовая доля 1СГ5—10-8 %), возможность использования для определения широкого круга веществ; погрешность метода состав­ ляет 15—20 % .

В настоящее время фотометрические и спектрофотометрические методы используются при определении соединений биогенных эле­ ментов, основных групп загрязняющих веществ: фенолов, синтети­ ческих поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов, жиров и специфических веществ: ксантогенатов, сероводорода, цианидов, метилового спирта, фторидов и т. д.

Л ю м инесцент ны й мет од основан на способности некоторых веществ при определенных условиях поглощать энергию и при пе­ реходе из возбужденного состояния в нормальное отдавать часть ее в виде лучистой энергии. Для возбуждения люминесценции обычно используют ультрафиолетовую или фиолетовую часть спектра. Оп­ ределение концентрации веществ основано на измерении интенсив­ ности люминесценции.

Преимуществами люминесцентного метода являются его очень низкий предел обнаружения (массовая доля 10~isr% ), быстрота оп­ ределения, широкий круг анализируемых веществ.

В анализе природных вод люминесцентный метод используется для определения смолистых компонентов нефти, полициклических ароматических углеводородов, органических кислот, гумусовых веществ и других веществ естественного происхождения.

Глава 11. Методы химического анализа природных вод

317

М ет оды эм иссионной и ат омно-абсорбционной

спект ро­

м ет рии получили распространение в анализе тяжелых металлов. Они основаны на регистрации спектров излучения (фотографиче­ ски) или спектров поглощения (фотоэлектрически).

О концентрации определяемых металлов судят по изменению интенсивности светового потока на спектральных линиях этих ме­ таллов.

Для группового определения тяжелых металлов в водах до сих пор в ряде случаев используется эмиссионный спектральный ана­ лиз. Метод основан на концентрировании и извлечении металлов хлороформом в виде их комплексов с диэтилдитиокарбаматом и 8-оксихинолином и последующем спектрографическом определе­ нии. Обычно сжигание производится в электрической дуге спектро­ графа, последующая расшифровка спектров — на микрофотометре.

Метод пламенной фотометрии — частный случай эмиссионной спектроскопии — заключается в следующем. Исследуемая проба с помощью распылителя вводится в виде мелких брызг в пламя го­ релки, которая работает на смеси горючих газов. В пламени атомы металлов, содержащихся в пробе, возбуждаются, а затем, переходя обратно из возбужденного в нормальное состояние, излучают свет определенных длин волн. Для каждого металла выделяются так называемые аналитические линии, по интенсивности которых су­ дят о концентрациях исследуемых металлов. В гидрохимии этот метод наиболее часто применяют для определения натрия и калия, используя аналитические линии соответственно 589 и 768 нм.

Наиболее перспективным, простым и селективным является атомно-абсорбционный метод. По точности и чувствительности этот метод превосходит многие другие. На результаты анализа практи­ чески не влияют посторонние вещества, поэтому отпадает необхо­ димость трудоемкой подготовки пробы и применения методов предварительного разделения.

11.4. Ф отохим ические м ето д ы

Фотохимические реакции находят разнообразное применение в аналитической химии. Использование этих реакций в анализе при­ родных вод основано на способности ультрафиолетового (УФ) излу­ чения полностью разлагать органические соединения, содержащие­ ся в воде.

Установлено, что под действием УФ-излучения в минеральные формы переходят все элементы, способные содержаться в составе органических веществ. Так, углерод переходит в диоксид углерода, фосфор — в фосфаты, азот — в смесь нитритов и нитратов; обра-

318

Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии

зующиеся минеральные формы могут быть легко определены коли­ чественно существующими методами. Это дает возможность прово­ дить анализ элементного состава органических веществ, не разде­ ляя их на индивидуальные соединения. В гидрохимии фотохимиче­ ские методы используются для определения органического углеро­ да, органического азота, а также при определении органических форм галогенов, серы и органоминеральных соединений металлов.

11.5. Х ром атограф и чески е м етод ы

Хроматографические методы получили широкое распростране­ ние и используются для разделения жидких и газообразных смесей органических веществ, содержащихся в природных водах. Они ос­ нованы на различном распределении компонентов смеси между двумя фазами — подвижной и неподвижной.

Всамом общем виде хроматографическая система — это сор­ бент, содержащий неподвижную фазу (или являющийся ею), через который пропускается подвижная фаза. На верху хроматогра­ фической системы находится исследуемая проба. По мере пропус­ кания подвижной фазы одни компоненты смеси, более растворимые

вней, увлекаются и идут быстрее, другие, распределяющиеся в не­ подвижной фазе, отстают. Так происходит разделение компонентов смеси на отдельные хроматографические зоны.

Взависимости от агрегатного состояния исследуемого вещества (газ или жидкость), природы сорбента (твердое вещество или жид­ кость) и характера взаимодействия между сорбентом и разделяемыми компонентами хроматография делится на несколько видов (рис. 1 1 .1 ).

Взависимости от способа размещения неподвижной фазы раз­ личают варианты тонкослойной и колоночной хроматографии.

Рис. 11.1. Виды хроматографии

Глава 11. Методы химического анализа природных вод

319

В т онкослойной хроматографии порошкообразный твердый сор­ бент (неподвижная фаза) наносят тонким слоем на пластинку, а жидкая фаза движется вдоль этого слоя под действием капилляр­ ных сил. Тонкослойная хроматография является простым и быст­ рым методом анализа и в гидрохимии используетсл при определе­ нии нефтепродуктов, полициклических ароматических углеводоро­ дов, жиров, органических кислот и других веществ. Наиболее рас­ пространенным является вариант колоночной хроматографии с использованием хроматографа, блок-схема которого приведена на рис. 1 1 .2 .

Рис. 11.2. Блок-схема хроматографа

В зависимости от реализации хроматографического процесса колоночную хроматографию разделяют на жидкостную (в том чис­ ле высокоэффективную) и газовую. Преимуществом жидкостной хроматографии является возможность использования практически любых веществ без ограничений по их физико-химическим свойст­ вам. Использование техники высокого давления и чувствительных детекторов в высокоэффективной жидкостной хроматографии су­ щественно повысило эффективность разделения и чувствитель­ ность.

320

Раздел 3. Основы прикладной гидрохимии

Основными видами ж идкостной хром ат ограф ии являются ад­ сорбционная, распределительная, ионообменная и гельхроматография.

Сущность адсорбционной ж идкостной хроматографии состоит в разделении компонентов смеси, основанном на их различной ад­ сорбции из раствора твердым сорбентом при прохождении потока подвижной фазы через колонку. В качестве сорбентов используют­ ся силикагель, оксид алюминия, активированный уголь, кизельгур

идр.

Враспределит ельной ж идкостной хроматографии разделение

компонентов происходит вследствие различного распределения мо­ лекул веществ между двумя жидкими фазами — неподвижной и подвижной. Колонка состоит из инертного сорбента, играющего роль носителя, на котором сорбируется неподвижная фаза. Под­ вижная фаза протекает через колонку. При этом происходит пере­ распределение компонентов смеси между неподвижной и подвиж­ ной фазами вследствие их различного сродства к ним. Обычно не­ подвижной фазой являются полярные соединения (вода, минераль­ ные кислоты), подвижной фазой — значительно менее полярные соединения (органические растворители). Подвижная и неподвиж­ ная фазы не должны смешиваться между собой. В гидрохимии этот вид хроматографии используется в основном при разделении орга­ нических кислот.

В ионообменной ж идкостной хроматографии используются специальные ионообменные сорбенты — иониты, которые способны обменивать в эквивалентных количествах находящиеся в их соста­ ве подвижные ионы на другие ионы, содержащиеся в растворе. Ио­ нообменная хроматография используется при отделении аминокис­ лот, сахаров и органических кислот от других соединений, содер­ жащихся в воде.

Гель-хроматография — сравнительно новый метод хроматогра­ фии. Разделение в гель-хроматографии основано на различной сте­ пени проникновения молекул разделяемых веществ в гель (непод­ вижную фазу) и обусловлено размерами этих молекул. В процессе разделения небольшие молекулы попадают в сетку полимера и удерживаются в ней, в то время как большие молекулы вымывают­ ся из колонки. Носителями в гель-хроматографии являются сефадексы, биогели, другие полимеры и макропористые стекла, способ­ ные набухать в воде либо в органических растворителях. Гельхроматография используется в основном для отделения высокомо­ лекулярных соединений с низкой относительной молекулярной массой, в частности гуминовых и фульвокислот, от других компо­ нентов, содержащихся в природных водах.

Газовая хроматография служит для разделения летучих ве­ ществ. Метод основан на распределении вещества между двумя фа­

Соседние файлы в предмете Гидрохимия