Порядок сдачи лабораторной работы

Порядок работы

Изучите схему методов экологического мониторинга

Составьте схему методов экологического мониторинга: наземные и дистанционные методы экологичекого мониторинга.

Химические методы:

2.1. Составьте качественные реакции на катионы: Li⁺, Na^+,K⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Ag⁺, Fe²⁺_,Fe³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺, NH₄^-, [Hg]^-, Hg²⁺, Sn²⁺, Sn⁴⁺

Составьте качественные реакции на анионы: SO₄^2-, CO₃^2-, PO₄^3-, SiO₃^2-, B₄O₇^2-, I^-, Cl^-, Br^-, NO₃^-, NO₂^-.

Физико-химические методы

3.1. Укажите стадии гравиметрического метода

3.2. Охарактеризуйте группы методов титриметрического анализа: метод кислотно-щелочного титрования, методы осаждения, метод окисления-восстановления, метод комплесообразования.

3.3. Охарактеризуйте сущность колориметрического метода на основе шкалы Алямовского.

4. Количественный химический анализ. Способы выражения концентрации растворов

Выполните расчетные задания по выражению концентрации растворов.

Порядок сдачи лабораторной работы

Предоставляется тетрадь с выполненными заданиями.
Устный ответ по теоретической части лабораторной работы
Отчет по ходу решения химических задач

Литература

Барковский Е.В. Аналитическая химия: Учеб. Пособие / Е.В. Барковский, С.В. Ткачев. – Мн.: Высш. шк., 2004. – 351 с.
Другов Ю.С. Экологическая аналитическая химия / Ю.С. Другов. – М. – 2000. – 432 с.
Другов Ю.С. Экологическая аналитическая химия / Ю.С. Другов. – С-Пб., Анатолия. – 2000. – 432 с.

Теоретическая часть

Интенсивное воздействие человека на природу, негативные, часто необратимые последствия этого воздействия обусловливают необходимость глубокого и всестороннего анализа проблемы взаимодействия общества и природы. Такой анализ в настоящее время осуществляется в рамках природопользования. Главная задача природопользования как научного направления - поиск и разработка путей оптимизации взаимодействия общества с окружающей природной средой.

Рациональное природопользование предполагает управление природными процессами, т.е. запрограммированное воздействие на природные объекты с целью получения определенного хозяйственного эффекта.

Чтобы управление было достаточно эффективным, необходимо иметь данные о динамических свойствах этих объектов, их изменении в результате антропогенного воздействия, предвидеть последствия вмешательства человека в ход естественных процессов.

Управление природными процессами должно опираться на надежную и достоверную информацию о прошлых, настоящих и будущих состояниях природных и природно-антропогенных систем. За последнее десятилетие накоплен большой материал по изменению природы. Однако он не содержит данных о динамике развития процессов. В связи с этим встал вопрос об организации специальных наблюдений за состоянием окружающей природной среды и ее антропогенными изменениями с целью их оценки, прогнозирования и своевременного предупреждения о возможных неблагоприятных последствиях, т.е. о введении постоянной действующей службы наблюдения (мониторинга).

Мониторинг включает следующие основные направления деятельности:

· наблюдения за факторами, воздействующими на окружающую природную среду и за ее состоянием;

· оценку фактического состояния природной среды;

· прогноз развития состояния природной среды и оценку этого развития.

Таким образом, мониторинг - это система наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды, не включающая управление качеством окружающей среды, но дающая необходимую информацию для такого управления и выработки инженерных методов защиты окружающей среды.

Мониторинг может охватывать как локальные районы, так и земной шар в целом (глобальный мониторинг). Чтобы обеспечить эффективную оценку и прогноз, мониторинг должен включать наблюдения за источниками загрязнения, загрязнением природной среды и последствиями от этого загрязнения.

Чтобы дать обоснованную оценку загрязнениям природной среды, используют различные методы мониторинга. В данном учебном пособии предложены наиболее доступные и распространенные методы экологического мониторинга, которые представлены на рисунке 1.

Рис.1 Схема методов экологического мониторинга

НАЗЕМНЫЕ МЕТОДЫ

Физико-химические

Качественные методы

Качественные методы позволяют определить, какое вещество находится в испытуемой пробе. Он всегда предшествует количественному анализу, так как выбор метода количественного определения зависит от данных качественного анализа. Качественный анализ можно разделить по реакции на катионы и по реакции на анионы.

а) Качественные реакции на катионы

Li⁺- пламя красное

Na⁺- пламя желтое

К⁺ - пламя (фиолетовое)

Са²⁺- пламя (кирпично-красное)

карбонат-ионы (белый осадок)

оксалат-ионы (белый осадок)

Ва²⁺- пламя (желто-зеленое)

сульфат-ионы (белый осадок)

хромат-ионы (желтый осадок)

Си²⁺- пламя (зеленое)

в водном растворе гидратированные ионы [Cu(H, O)J²⁺

имеют голубую окраску

водный раствор аммиака (сине-фиолетовая окраска)

РЬ²⁺ - сульфид-ионы (черный осадок)

йодид-ионы (желтый осадок)

хромат-ионы (желтый осадок)

Ag⁺ - хлорид-ионы (белый осадок)

хромат-ионы (кирпично-красный осадок)

Fe²⁺ - красная кровяная соль (синий осадок)

Fe+3 - желтая кровяная соль (синий осадок)

роданид-ионы (красное окрашивание)

Cd²⁺ - сульфид-ионы (желтый осадок)

Zn²⁺ - сульфид-ионы (белый осадок)

NH₄⁺- раствор щелочи (запах аммиака)

[Hg]²⁺- раствор щелочи (черный осадок)

хромат-ионы (красный осадок)

Hg²⁺- сульфид-ионы (черный осадок)

йодид-ионы (красный осадок)

Sn²⁺ - сероводород (темно-коричневый осадок)

Sn⁴⁺ - сероводород (желтый осадок)

б) Качественные реакции на анионы

SO^-2 - соли бария (белый осадок)

СО₃ ^-2- соляная или серная кислоты (выделяется углекислый газ)

известковое молоко (белый осадок)

РО₄^-3- магнезиальная смесь: MgCl2, + NH₄OH + NH₄CL (белый осадок)

нитрат серебра (желтый осадок)

Si₃^-2 - разбавленные растворы кислот (студенистый осадок)

соли аммония (то же)

В₄О₇^-2 - пламя (зеленое окрашивание)

ВО₂^- - нитрат серебра (желтый осадок)

J^- - соли свинца (желтый осадок)

С1^- - хлорная вода + крахмал (синее окрашивание)

Вr^- - нитрат серебра (белый осадок)

- нитрат серебра (желтоватый осадок)

NO₃^-- металлическая медь в концентрированной серной кислоте (газ бурого цвета)

- металлический алюминий в сильнощелочной среде (запах аммиака)

- смесь H₂SO₄ + FeSO₄ (окраска от фиолетовой до коричневой)

NO^- ₂ - сульфаниловая кислота + а-нафтиламин (красное окрашивание)

Количественные методы

Гравиметрический метод

Суть метода состоит в определение массы и процентного содержания какого-либо элемента, иона или химического соединения, находящегося в испытуемой пробе. Искомую часть выделяют либо в чистом виде, либо в виде соединения известного состава. Гравиметрическим методом определяют содержание ряда тяжелых металлов, анионов, сухого вещества в плодах и овощах, клетчатки, «сырой» золы в растительном материале. Кроме того, этим методом определяют кристаллизационную воду в солях, общую и гигроскопическую влажность почвы и т.д.

Гравиметрический анализ проводят по следующим стадиям:

· отбор средней пробы и подготовка ее к анализу;

· взятие навески;

· растворение навески;

· выбор осадителя и осаждение определяемого элемента (с пробой на полноту осаждения);

· фильтрование;

· промывание осадка (с пробой на полноту промывания);

· высушивание и прокаливание осадка;

· взвешивание;

· вычисление результатов анализа.

Аналитической практикой установлено, что при проведении гравиметрического анализа наиболее удобны навески от 0, 5 до 2, 0 г. Навеску вещества следует брать из расчета, чтобы после прокаливания получить гравиметрическую форму массой около 0, 1-0, 3 г для аморфного осадка и массой около 0, 5 г - для кристаллического.

Колориметрические методы

Колориметрия - один из наиболее простых методов абсорбционного анализа. Он основан на изменении оттенков цвета исследуемого раствора в зависимости от концентрации. Колориметрические методы можно разделить на визуальную колориметрию и фотоколориметрию.

а) Визуальная колориметрия.

Она осуществляется за счет стандартных серий. Для этого исследуемый раствор сравнивают с набором стандартных растворов, которые должны быть свежеприготовленными и отличаться друг от друга не менее чем на 10-15%.

Например, колориметрическое определение рН по Алямовскому основано на свойстве индикаторов изменять свою окраску в зависимости от концентрации ионов водорода, присутствующих в растворе.

Шкала прибора Алямовского представляет из себя ряд запаянных пробирок, заполненных окрашенным раствором. Этот устойчивый к действию света раствор имитирует окраску универсального индикатора при определенном значении рН. Испытуемый раствор сравнивают со шкалой и находят в ней пробирку, наиболее совпадающую с ним по цвету. Если окраска жидкости не соответствует цвету растворов шкалы, то берут среднее значение между двумя приближающимися по цвету пробирками. Иногда может встретиться набор Алямовского, в котором стандартная цветная шкала представлена не ампулами с растворами, а стеклянными пластинками с цветными пленками.

Для удобства сравнения к прибору прилагается компаратор, но техника сравнения растворов со шкалой в этом случае другая. Пробирку с окрашенным испытуемым раствором нужно поместить в левое гнездо компаратора. В пробирку из правого гнезда компаратора наливают 5 мл дистиллированной воды. В пазы компаратора вставляют стандартную цветную шкалу, при этом ее окрашенная часть должна находиться против пробирки с дистиллированной водой, а бесцветная - против испытуемого раствора. Компаратор берут левой рукой и поднимают до уровня глаз, держа шкалой от себя и повернув ее к свету. Передвигая стандартную шкалу вверх и вниз, находят ту ее часть, которая по окраске совпадает с испытуемым раствором. Повернув компаратор шкалой к себе, отсчитывают значение рН и записывают результат анализа.

в) Фотоколориметрия

Фотоколориметрические методы – одна из широко используемых разновидностей абсорбционного оптического анализа. Для более точного определения анализируемого элемента применяют специальные приборы - фотоэлектроколориметры (ФЭК).

При работе на ФЭК чаще всего используют метод градуировочной кривой, основанный на построении калибровочного графика в осях «оптическая плотность - концентрация» для стандартных растворов известной концентрации. Измерив оптическую плотность, анализируемого раствора, по графику находят его концентрацию. Для лучшего усвоения фотоколориметрического метода студентом предлагается провести лабораторный анализ определения ионов меди и никеля в растворе этим методом на КФК -3-01.

Упаривание раствора

В результате упаривания исходного раствора его масса уменьшилась на D_m г. Определить массовую долю раствора после упаривания w₂

Решение
Исходя из определения массовой доли, получим выражения для w₁ и w₂ (w₂ > w₁):

w₁ = m₁ / m

(где m1 – масса растворенного вещества в исходном растворе)

m1 = w₁·m
w₁ = m1 / (m – D_m) = (w₁· m) / (m – D_m)

Концентрирование раствора

Какую массу вещества (X г) надо дополнительно растворить в исходном растворе, чтобы приготовить раствор с массовой долей растворенного вещества w₂?

Решение
Исходя из определения массовой доли, составим выражение для w₁ и w₂:

w₁ = m₁ / m₂,

(где m1 – масса вещества в исходном растворе).

m₁ = w₁ · m
w₂ = (m₁+x) / (m + x) = (w₁ · m + x) / (m+x)

Решая полученное уравнение относительно х получаем:

w₂ · m + w₂ · x = w₁ · m + x
w₂ · m – w₁ · m = x – w₂ · x
(w₂– w₁ ) · m = (1 – w₂ ) · x
x = ((w₂ – w₁) · m) / (1 – w₂ )

Разбавление раствора

Исходя из определения массовой доли, получим выражения для значений массовых долей растворенного вещества в исходном растворе №1 (w₁) и полученном растворе №2 (w₂):

w₁ = m₁ / (ρ ₁ · V₁) откуда V₁= m₁ /( w₁ ·ρ ₁)
w₂ = m₂ / (ρ ₂ · V₂)
m₂ = w₂ ·ρ ₂ · V₂

Раствор №2 получают, разбавляя раствор №1, поэтому m₁ = m₂. В формулу для V₁следует подставить выражение для m₂. Тогда

V₁= (w₂ ·ρ ₂ · V₂) / (w₁ · r₁)
m₂ = w₂ ·ρ ₂ · V₂
или

w₁ · ρ ₁ · V₁	=	w₂ · ρ ₂ · V₂
m₁(раствор)		m₂(раствор)

m1(раствор) / m2(раствор) = w2 / w1

При одном и том же количестве растворенного вещества массы растворов и их массовые доли обратно пропорциональны друг другу.

Ход работы

1. Решите задачи

Задача 1. Сколько грамм сульфата натрия и воды нужно для приготовления 300 г 5% раствора?

Задача 2. Какую массу хромата калия K2CrO4 нужно взять для приготовления 1, 2 л 0, 1 М раствора?

Задача 3. Вычислите значение грамм-эквивалента (г-экв.) серной кислоты, гидроксида кальция и сульфата алюминия.

Задача 4. Рассчитайте молярность и нормальность 70%-ного раствора H₂SO₄ (r = 1, 615 г/мл).

Задача 5. Какова молярная и нормальная концентрация 12%-ного раствора серной кислоты, плотность которого р = 1, 08 г/см3?

Задача 6. Чему равна нормальная концентрация 1 М раствора серной кислоты?

Задача 7. Чему равна молярная концентрация 0, 5 н. Na₂CO₃?

Задача 8. Упарили 60 г 5%-ного раствора сульфата меди до 50 г. Определите массовую долю соли в полученном растворе.

Задача 9. Сколько граммов хлористого калия надо растворить в 90 г 8%-ного раствора этой соли, чтобы полученный раствор стал 10%-ным?

Задача 10. Определите массы исходных растворов с массовыми долями гидроксида натрия 5% и 40%, если при их смешивании образовался раствор массой 210 г с массовой долей гидроксида натрия 10%.

Задача 11. Определите массу 3%-ного раствора пероксида водорода, который можно получить разбавлением водой 50 г его 3%-ного раствора.