Современные методы исследований качества сырья

     

,

     Если  нужно определить неизвестный размер коллоидных частиц в исследуемом  образце, то при условии равенства  концентраций стандартного и исследуемого золей используют отношение:

     

,

при условии, что известен объем частиц V₁ в стандартном золе. Освещенность измеряют с помощью спектрофотометра или фотоэлектрокалориметра, что позволяет автоматизировать процесс. Наиболее широко в данном методе используется фотоэлектрокалориметр-нефелометр ФЭКН-57. Метод позволяет определять искомые величины с точностью                2-5 %. 

Турбидиметрия 

     Турбидиметрией называется метод количественного анализа по интенсивности света, поглощенного взвесью определяемого вещества. При достаточном разбавлении интенсивность прошедшего через взвесь света J определяется по уравнению:

     

,

     где J₀ – интенсивность падающего света с длиной волны;

           с – концентрация определяемого  вещества, моль/л;

           b – толщина поглощающего слоя, см;

           – средний диаметр частиц, см;

           , зависящие от природы взвеси  и распределения ее частиц  по размерам.

     Если  значения d, λ, К, и α – константы, то:

     

,

     где - коэффициент пропорциональности, называемый молярным коэффициентом мутности среды.

     Концентрацию  определяемого вещества находят  по градуировочному графику в  координатах lgJ₀/J=c или визуально сравнением исследуемой взвеси с серией взвеси с известными концентрациями определяемого вещества. Для предотвращения коагуляции частиц взвеси в раствор добавляют стабилизаторы, в качестве которых используют агар-агар, желатин, карбоксиметилцеллюлозу, полиакриламид и др.

     Интенсивность прошедшего света измеряют с помощью  визуальных калориметров и фотоэлектрокалориметров.

     Турбидиметрию применяют в тех же случаях, что  и нефелометрию. 

     Микроскопия 

     Это метод исследования строения вещества визуально, с помощью микроскопа. Рассматриваются методы микроскопии, находящиеся за пределами видимой микроскопии. 

     Ультрамикроскопия 

     Если  размеры наблюдаемой частицы  меньше длины волны видимого света, то увидеть такую частицу в  обычный микроскоп нельзя, а свет рассеиваемый такой частицей очень  слаб и не может быть зафиксирован в проходящем свете. Для того, чтобы заметить свет рассеиваемый отдельными коллоидными частицами необходимо рассматривать их в микроскоп на темном фоне и при сильном боковом освещении. При этом наблюдается светящаяся точка, но это не изображение самой частицы, а только свет, который она рассеивает. Наблюдая за такими светящимися частицами, каждая из которых обозначает коллоидную частицу можно определить их количество и наблюдать их перемещение. Прибор позволяющий проводить такие наблюдения называется ультрамикроскопом. 

     Электронная микроскопия 

     Электронный микроскоп позволяет рассматривать  частицы с размером менее 1 мкм. Основное отличие электронного микроскопа от оптического в том, что вместо лучей света используется поток  электронов, при этом вместо стеклянных или кварцевых линз используются линзы магнитные или электрические. Источником электронов служит нагреваемая током вольфрамовая нить. Электроны испускаемые нитью ускоряются сильным (до 500 тыс. В) напряжением, приложенным между нитью и анодом. В центре анода просверлено отверстие через которое в виде узкого пучка вылетают электроны ускоренные в электронном поле. Эта часть микроскопа называется электронной пушкой.

     Электроны вылетевшие из электронной пушки  попадают в поле 1-й конденсаторной магнитной линзы. Назначение такой линзы – собрать (сфокусировать) пучок на исследуемом объекте. Пройдя сквозь излучаемый препарат электроны попадают на 2-ю магнитную линзу – объективную, с помощью которой достигается сильное увеличение. Дальнейшее увеличение до 25 тыс. раз создается после прохождения электронов через поле 3-й магнитной линзы – проекционной. Из проекционной линзы электроны попадают на фотопластину или экран покрытый слоем люминофора (вещества, способного светиться под ударами падающих на него электронов). Изображение частиц, полученное на экране больше оригинала в 10-25 тыс. раз. Т.к. воздух затрудняет движение электронов, то в электронном микроскопе поддерживается глубокий вакуум до 1,3·10^-8 атм. Электронный микроскоп имеет особое значение при изучении микробов, фильтрующихся вирусов, высокомолекулярных соединений и коллоидных частиц. С помощью электронного микроскопа устанавливают размеры и форму ультрадисперсных частиц. 

     Электрохимические методы анализа 

     Методы  основаны на процессах, происходящих на электродах или в межэлектродном пространстве называются электрохимическими. В них используется функциональная зависимость тока, потенциала или электрической проводимости от концентрации анализируемого вещества в растворе.

     В зависимости от способа получения  информации различают:

     1) Прямые методы определения, в  которых из измеряемых электрических  величин непосредственно получают  аналитическую информацию;

     2) Методы индикации (косвенные)  применяют для установления конечной  точки титрования (потенциометрических,  амперометрических…)

     В соответствии с процессами, происходящими  на электродах электрохимические методы подразделяют на 2 группы:

     1) Методы, основанные на электродной  электрохимической реакции;

     2) Методы, не связанные с протеканием подобных реакций.

     Среди методов 1-й группы различают методы с наложением внешнего потенциала и без наложения внешнего потенциала.

     Классификация электрохимических методов

      Электрохимические методы 

     с электрохимической реакцией         без электрохимической реакции 

без наложения  внешнего          с наложением внешнего          Кондуктометрия

        потенциала                                   потенциала 

потенциометрия    кулонометрия

                                    электрогравиметрия

                                    вольтампероиетрия

     Основным  элементом приборов ЭХ анализа является ЭХ ячейка. В методах без наложения внешнего потенциала она представляет собой гальванический элемент, в котором вследствие протекания химических ОВ реакций возникает электрический ток. В ячейке гальванического элемента в контакте с анализируемым раствором находится 2 электрода: индикаторный, потенциал которого зависит от концентрации вещества и электрод сравнения, относительно которого измеряют потенциал индикаторного электрода. Измерение разности потенциалов лежит в основе потенциометрического анализа.

     В методах с наложением внешнего потенциала применяют электролитическую ячейку, т.к. на электродах ячейки под действием внешнего потенциала происходит электролиз: окисление или восстановление вещества.

     В кондуктометрическом анализе используют кондуктометрическую ячейку, в которой замеряют электрическую проводимость раствора.

     Приборы для ЭХ анализов, кроме ЭХ ячейки, мешалки, нагрузочного сопротивления  включают устройства для измерения  разности потенциалов, тока, сопротивления раствора, количества электричества. Эти измерения могут осуществляться стрелочными приборами (вольтамперметра), осциллографами, автоматическими потенциометрами.

     В приборах, использующих наложение внешнего потенциала важной частью является устройство для подачи на ячейку соответствующего потенциала, стабилизирующего постоянного или переменного тока. Блок электропитания приборов ЭХ анализа включает выпрямитель и стабилизатор напряжения, которые обеспечивают постоянство работы приборов. 

     Потенциометрия 

     Потенциометрия - это ряд методов анализа для  определения физико-химических характеристик электролита и химических реакций, основанных на измерении электродных потенциалов и электродвижущих сил гальванического элемента.

     Ионометрия - это потенциометрический метод определения концентрации активности ионов, основанный на измерении электрохимического потенциала индикаторного электрода, погруженного в исследуемый раствор, относительно электрода сравнения.

     Электродом  сравнения называют электрод с известной и постоянной величиной электродного потенциала. В качестве такого электрода используют коломельный или хлорид серебряный электрод.

     Индикаторным  электродом или электродом определения  называют электрод, который обратим  относительно активности анализируемого потенциал определяемого иона. Так при измерении рН изменение потенциал индикаторного электрода зависит от активности (концентрации) ионов Н⁺ в растворе. В качестве индикаторных электродов в современном анализе используют ионно-селективные мембранные электроды. Создание таких электродов способствует интенсивному развитию прямой потенциометрии для определении многих ионов в растворе.

     В настоящее время выпускается  порядка 30 таких электродов. Благодаря  большому разнообразию ион-селективных  электродов потенциометрическое определение  используют в медицине, технике, с/х  и пищевой промышленности.

     Ионометрически  определяют ионы Са⁺² в биологических жидкостях, в воде, детском питании, полуфабрикатах сахарного производства; ионы J⁺ в морской капусте и др. водорослях; нитрит ионы почти во всех видах пищевых продуктов, удобрениях и растениях; ионы Cl^-, в хлебе, сыре, маргарине, лекарствах, воде; бромиды в бромсодержащих пестицидах и в почве. 

     Вольтамперометрия 

     Входит  в группу ЭХ методов, основанных на исследовании вольтамперных кривых, которые получаются, если при электролизе  раствора анализируемого вещества повышать напряжение и фиксировать при этом силу тока. Электролиз проводят с использованием легкополяризуемого электрода с маленькой поверхностью, на которой происходят окисляются или восстанавливаются вещества. Электродом сравнения служит слабо поляризуемый электрод. Если вольтамперометрические измерения проводят при помощи ртутного капающего электрода, то этот метод называется полярографией.

     При помощи этого метода обычно исследуются  вещества, способные к электровосстановлению, реже вещества окисляющиеся при электролизе. Область концентраций анализируемых веществ составляет 10^-2 - 10^-4 моль/дм³. Электролиз проводят в полярографической ячейке, состоящей из сосуда электролизера и 2-х электродов. Микроэлектродом является ртуть, вытекающая по капле из тонкого стеклянного капилляра. Макроэлектродом является либо слой ртути на дне электролизера (донная ртуть), либо внешний стандартный электрод, чаще всего насыщенный коломенный электрод. Микроэлектрод функционирует в качестве катода, на котором происходит электрохимическое восстановление анализируемого вещества. При этом на электроде сравнения изменений не происходит. При подаче на электроды постепенно возрастающего напряжения в начале через электролизер протекает очень слабый ток, называемый остаточным. При этом раствор около ртутного катода быстро обедняется ионами и наступает концентрационная поляризация. Концентрация ионов, у катода снижается практически до 0. В то время как в глубине раствора она остается постоянной, а новые количества ионов доставляются к поверхности электрода путем диффузии. Диффузия пропорциональна разности концентраций, которая теперь равна концентрации ионов в глубине раствора. Через раствор в это время протекает максимально возможный ток называемый диффузионным током (J_d). На графике получается ступень или полярографическая волна. Дальнейшего роста тока не наблюдается. На графике вновь прямая параллельная абсцисс. В целом графическое изображение процесса разрядки ионов на микроэлектроде называется полярограммой.