Химико-аналитический экологический мониторинг

В результате изучения главы 2 студент должен:

знать

• • методы качественного и количественного химического анализа;
• • принципы физико-химических методов анализа, пробоотбор и пробоподготовку;
• • метрологическое обеспечение измерений при мониторинге ОС;

уметь

• • проводить качественный и количественный анализ соединений с использованием физико-химических методов;
• • проводить расчеты концентрации различных соединений;
• • осуществлять анализ и проводить статистическую обработку экспериментальных данных;

владеть

• методами пробоотбора и пробоподготовки, проведения физико-химических измерений и корректной оценки погрешностей при их проведении.

Концентрация вещества

Состав вещества характеризуется количеством (числом частиц) отдельных компонентов пробы и может быть выражен в граммах или других единицах массы. Однако в практических целях состав выражают через концентрацию С компонентов.

Концентрация — величина, определяющая содержание компонента в смеси, растворе, сплаве. Массовая доля i-го компонента в веществе (материале, газе) — отношение массы г-го компонента, содержащегося в веществе, к общей массе вещества (РД 50−160—79). Молярная доля i-го компонента в газе — отношение количества вещества i-го компонента, содержащегося в газе, к общему количеству вещества газа.

Моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг. Слово «моль» происходит от слова «молекула» (новолат. molecula, уменьшит, от лат. moles — «масса»). Число частиц, содержащееся в моле любого вещества, называют постоянной (числом) Авогадро (A. Avogadro — итальянский физик и химик, 1776—1856) N_A,

где т_с — масса атома углерода.

При обычных расчетах пользуются приближенным значением N_A = = 6,022−10²³ моль^-1. В округленных числах моль содержит, например, 2 г водорода, 32 г кислорода, 18 г воды и т. д.

Погрешность измерения постоянной Лвогадро (в виде относительного среднего квадратического отклонения — СКО) оценивается в настоящее время как 0,59* 10^-6.

Число структурных элементов Z можно определить по формуле.

где п — количество вещества в молях.

Структурным элементом может быть молекула, ион, электрон, группа частиц (например, функциональная группа, часть молекулы, ассоциация, радикал и т. п.). Одни структурные элементы существуют реально (молекула Ы₂, ион Ю₃~), другие — чисто условно (молекула NaCl в растворе, половина молекулы, протон в растворе). Поэтому единица «моль» условных частиц удобна, и обычно ее используют для выражения микрообъектов.

Молярная масса (М) — это масса одного моля вещества. Если имеется вещество массой т, то М = —. Молярная масса имеет размерность г/моль.

п

Численно молярная масса равна относительной молекулярной массе, т. е. суммарной массе всех атомов в частице, отнесенной к 1/12 массе атома углерода. Относительная молекулярная масса — безразмерная величина, ее легко вычислить по таблицам атомных масс элементов.

Молярный объем (V₀) — это объем одного моля вещества при нормальных условиях. Обычно эту величину используют для газов, в этом случае V₀ = 22,4 моль^-1. Объемная доля i-го компонента в веществе — отношение объема /‘-го компонента, содержащегося в веществе, к общему объему вещества. Массовое отношение i-го компонента в веществе — отношение массы i-го компонента, содержащегося в веществе, к массе остальной части вещества.

Массовая, объемная и молярная доли компонентов веществ смесей — относительные величины, поэтому их единицами являются доли единицы, проценты (%), промилле (%о), миллионные доли (ppm), миллиардные доли (ppb), триллионные доли (ppt).

Способы выражения концентрации вещества приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Концентрация вещества.

Окончание табл. 2.1

Свойства веществ характеризуются числовыми значениями физических или физико-химических величин, например плотности, вязкости, электрической проводимости и т. п., поддающихся измерениям.

Между условными частицами в соединении существуют определенные соотношения, называемые стехиометрическими. Например, в NaCl на один атом натрия приходится один атом хлора, в молекуле H₂S0₃ два протона связаны с одной частицей S0₃^2_. Между реагирующими частицами также устанавливаются стехиометрические отношения, например в реакции.

а условных единиц вещества А реагируют с b условными частицами вещества В. Следовательно, одна частица А эквивалентна — частицам вещества.

ь ^а

В при условии, что а>Ь. Отношение — называют фактором эквивалент;

а

ности вещества В и обозначают как /_экв(В).

Вещества реагируют между собой эквивалентами по закону Дальтона (J. Dalton — английский химик и физик, 1766—1844). Это закон является основой всех количественных расчетов в аналитической химии, особенно в титриметрических методах анализа. На практике имеют дело не с отдельными эквивалентами или единичным химическим актом, а с большими совокупностями частиц. В этом случае стехиометрические соотношения между веществами проявляются в соотношении количеств веществ п{А) и п (В) в молях: