МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Документ СМК 3 уровня
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ Документ СМК 3 уровня УМКД УМКД 042-18УМКД 25.1.63/03-2013 Учебно-методические Редакция № 1 от материалы по дисциплине 18.09.2013 г. «Анализ природных объектов» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «АНАЛИЗ ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ» для специальности 5В060800 – «Экология» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Семей 2013 1 УМКД 042-18-25.1.63/03-2013 Ред. № 1 от 18.09.2013 г. Страница 2 из 66 ГЛОССАРИЙ Абсолютная ошибка – разность между полученным результатом и истинным или наиболее достоверным значением. Абсорбция – поглощение веществ из раствора или смеси газов твердыми или жидкими телами, происходящее равномерно во всей массе поглотителя. Адсорбция – поглощение ( сгущение) поверхностным слоем твердого тела растворенных или газообразных веществ. Алкалиметрия – метод объемного анализа – определение содержания щелочи в растворах. Анализ химический – определение химических элементов или их соединений, входящих в состав исследуемых веществ. Аналитическая химия – это наука о способах идентификации химических соединений, о принципах и методах определения химического состава веществ и их структуры. Она является научной основой химического анализа. Аналитический контроль - аналитические работы, выполняемые с целью оценки соответствия состава, свойств и структуры объектов (веществ и материалов) установленным требованиям; Ангстрем – единица длины, равная одной стомиллионной доле сантиметра. Название дано в честь шведского ученого-спектроскописта А. Ангстрема. Анион – отрицательно заряженный ион (в растворе или расплаве). Ароматизация нефти – химическая переработка нефти и нефтяных продуктов с целью увеличения содержания в них ароматических углеводородов. Атом – мельчайшая частица химического элемента, мельчайшие частицы, из которых состоят молекулы. Атомная связь (гомеополярная, или ковалентная, связь) – один из основных видов химической связи в молекулах простых и сложных веществ, вид связи, обусловленный взаимодействием электронов от каждого атома и образующих электронные пары, принадлежащие обоим атомам (H:H, H:Cl и т. п.). Атомно-молекулярное учение ( атомистика) – учение о прерывистом, зернистом (дискретном) строении материи. Атомный номер ( число) – порядковый номер места, занимаемого элементом в периодической системе Д. И. Менделеева. Атомный вес – вес атома химического элемента, выраженный в кислородных единицах (1/16 часть веса атома кислорода) или в углеродных единицах (1/12 часть веса атома Ацидиметрия – метод объемного анализа, сводящийся к определению содержания кислот в растворах по известной концентрации щелочи. 2 Возгонка ( сублимация) – превращение вещества из кристаллического состояния непосредственно в пар без перехода в жидкую фазу (без плавления). Восстановление металлов – способ получения металлов из природных минералов (руд) и других соединений, сводящийся к реакции между оксидами металла и веществами, способными соединяться с кислородом (восстановителями). Восстановление – химическая реакция, состоящая в присоединении электронов атомами или ионами и сопровождаемая понижением валентности. Вулканизация – процесс превращения сырого каучука в резину путем совместного нагревания его с серой. Выборка (выборочная совокупность) - часть объектов из генеральной совокупности, отобранных для изучения, с целью получения информации о всей генеральной совокупности. Выветривание – разрушение горных пород на поверхности земли под влиянием физических и химических факторов (температуры, воздуха, воды). Выщелачивание почв – процесс вымывания из почвы соединений, растворимых в воде. Выщелачивание горных пород – процесс растворения и выноса подземными водами какой-либо растворимой части горной породы. Газификация твердого топлива – промышленное превращение при высокой температуре твердого топлива в горючие газы при взаимодействии с водяным паром, воздухом, кислородом и другими газами. Геохимия – наука, изучающая сочетание, распределение и миграцию химических элементов в земной коре и глубинах Земли. Гербициды – химические средства, применяемые для уничтожения сорной и нежелательной растительности. Гетерогенные реакции – химические реакции, протекающие в неоднородной среде (твердое вещество и газообразное; твердое и жидкость и др.). Гетерогенный – неоднородный, состоящий из разнородных по своему составу частей. Десиканты – химические средства, применяемые для предуборочной подсушки некоторых сельскохозяйственных растений. Детонация – распространение взрыва на всю массу вещества или смеси, происходящее под воздействием удара, пламени, трения и других факторов. Дефолианты – химические средства, применяемые для предуборочного удаления листьев растений. Жесткость воды – свойство воды образовывать накипи, не мылиться и т. п., зависящее от количества растворенных в ней солей щелочноземельных металлов (кальция Ca, магния Mg, стронция Sr, бария Ba). 3 Зооциды – химические средства, применяемые для борьбы с вредными грызунами. Известкование почвы – внесение извести в почву главным образом с целью понижения почвенной кислотности, вредно действующей на большинство сельскохозяйственных растений. Изотопы – разновидности химического элемента, с разными атомными весами, но имеющими один и тот же заряд атомных ядер и потому занимающих одно и то же место в периодической системе. Ингибиторы – вещества, незначительные добавки которых в среду, вызывающую коррозию, замедляют разрушение металлов. Индикаторы – вещества, меняющие свою окраску в зависимости от реакции среды (кислотной, щелочной, нейтральной). Инсектициды – ядохимикаты, применяемые для борьбы с вредными насекомыми. Качественный анализ – установление наличия элементов или их соединений в исследуемом веществе. Количественный анализ – точное определение количественных соотношений составных частей данного соединения или смеси веществ. Компонент – составная часть чего-либо, преимущественно какого-либо химического соединения. Концентрация – количество вещества, содержащегося в единице объема (раствора или газа). Концентрирование – операция ( процесс), в результате которого повышается отношение концентрации или количества микрокомпонентов к концентрации или количеству макрокомпонентов. Коррозия – разрушение твердых тел ( металлов) под влиянием различных физико- химических воздействий. Методика анализа – подробное описание выполнения аналитических реакций с указанием условий их выполнения. Ее задачей является овладение навыками эксперимента и сущностью аналитических реакций. Метрология - наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности. Микроэлементы – элементы, находящиеся в организме человека, животных и растений (бор В, магний Mg, йод I, медь Сu, цинк Zn, молибден Mo, кобальт Co, естественные радиоактивные элементы и др.), имеющие, несмотря на их малое содержание в организме, большое значение в их жизни. Минерал – природное химическое соединение, образовавшееся в земной коре. Молекула – мельчайшая доля вещества, сохраняющая его химические свойства. Нейтрон – элементарная частица, не имеющая электрического заряда, вес которой приблизительно равен весу протона. 4 Обогащение руд – процесс первичной обработки руд, отделение их от пустых пород, не представляющих непосредственной практической ценности в данных техноэкономических условиях. Окисление – реакция, сущность которой состоит в повышении электровалентности окисляющихся атомов или ионов; процесс, сопровождающийся потерей электронов атомами или ионами окисляющегося вещества и переходом их к атомам или ионам окислителя; в узком смысле – реакция соединения каких-либо веществ с кислородом. Относительная ошибка – отношение абсолютной ошибки к истинному значению. Погрешность измерения - отклонение результата измерения от действительного значения измеряемой величины. Также для обозначения этого понятия иногда используют термин ошибка. Полимеры – высокомолекулярные вещества, образованные из большого числа сравнительно простых звеньев. Протон – устойчивая элементарная частица с массой, равной 1 к. е., зарядом +1; ядро атома легкого водорода – протия. Радикал – группа атомов в молекуле, переходящая без изменения из одного химического соединения в другое. Радиоактивность – самопроизвольный распад атомных ядер некоторых элементов, сопровождающийся выделением элементарных частиц. Разделение – это операция ( процесс), в результате которого компоненты, составляющие исходную смесь, отделяются один от другого. Растворимость – характерная для простых и сложных веществ величина, определяющая наибольшее количество вещества, которое может быть растворено при той или иной температуре в 100 г растворителя (воды, спирта и др.). Спектральный анализ – метод качественного и количественного определения веществ путем изучения их характерных спектров. Технический анализ делится на общий – анализ веществ, встречающийся на всех предприятиях (Н2О, топливо, смазочные материалы) и специальный – анализ веществ, встречающихся только на данном предприятии (сырье, полупродукты, отходы производства, конечный продукт). С этой целью ежедневно тысячи химикованалитиков выполняют миллионы анализов, согласно соответствующим Международным ГОСТам. Титр раствора – количество растворенного вещества в граммах, содержащееся в 1 мл раствора. Титрование – прибавление раствора реактива из бюретки к анализируемому раствору до достижения точки эквивалентности в происходящей реакции. Титрованные растворы – растворы точно известной концентрации, применяемые в объемном анализе. 5 Токсичность – ядовитые свойства веществ. углерода); наиболее существенное свойство химического элемента. Флотация – способ обогащения полезных ископаемых, основанный на различной смачиваемости твердых веществ жидкостями. Фотосинтез – образование сложных веществ из более простых при действии света. Фотохимическая реакция – химическая реакция, вызываемая действием света. Фунгициды – химические средства, применяемые для зашиты растений от заболеваний, вызываемых грибками, бактериями и другими микроорганизмами. Химическая прополка – борьба с сорняками с помощью химических средств (гербицидов). Химический анализ – это получение опытным путем данных о составе и свойствах объектов. Впервые это понятие научно обосновал Р. Бойль в книге «Химик-скептик» (1661 г.) и ввел термин «анализ». На всех стадиях любого производства осуществляется технический контроль – т.е. проводятся работы по контролю качества продукции в ходе технологического процесса с целью предотвращения брака и обеспечения выпуска продукции, соответствующей ТУ и ГОСТам. Химия – отрасль естествознания, предметом которой является изучение химических элементов и их соединений. Число объектов, составляющих выборочную совокупность, называется объемом выборки. Щелочи – небольшая группа растворимых в воде оснований, обладающих свойством изменять окраску индикаторов, вступать в реакции солеобразования и др.; электролиты, образующие при диссоциации анионы гидроксила ОН–. Экстрагирование – извлечение веществ из смесей с помощью растворителей, основанное на различной растворимости компонентов смеси. Ядохимикаты – вещества, применяемые для химической борьбы с вредными насекомыми, клещами, грызунами, бактериями, грибами, для уничтожения сорной растительности, а также для предуборочного обезлиствления и подсушки растений на корню. Яды профессиональные, или производственные – вещества, встречающиеся в условиях производства и вызывающие при проникновении в организм нарушение его нормальной жизнедеятельности. Яды каталитические – вещества, заметно снижающие активность катализаторов даже в том случае, когда они находятся в смеси в незначительном количестве. 6 3. КРАТКИЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ Лекция № 1. Предмет и задачи курса. 1. Предмет и задачи дисциплины «Анализ природных объектов». 2. Анализ природных объектов в экологических исследованиях. 1. Анализ природных объектов является неотъемлемой часть исследовательской работы эколога. При этом используются качественные и количественные методы анализа, также физические, химические, физикохимические и биологические. При этом необходимо владеть не только методиками определения токсикантов, но и уметь определять основные физико-химические, биологические показатели природных объектов. Особую актуальность анализ природных объектов приобрел в настоящее время, поскольку основным фактором неблагоприятного антропогенного воздействия на природу является химическое загрязнение. Определение их концентрации в различных природных объектах становится важнейшей задачей. Основная цель курса - сформировать целостное представление об основных методах и способах анализа и исследования природных объектов. Задачи преподавания дисциплины: • изучить основные классификации методов анализа природных объектов; • сформировать знания о физико-химических методах анализа, как основных, используемых в экологических исследованиях; • изучить особенности анализа различных природных объектов; • ознакомится с основными приборами, используемыми при анализе природных объектов. 2. Почвы, растения природные воды – основные важнейшие компоненты биосферы. Огромные масштабы коммунального, сельскохозяйственного и промышленного использования этих объектов привели к необходимости аналитического контроля их качественного и количественного состава. Проблема аналитического контроля любого процесса, объекта, всегда обусловлена принципиальными особенностями исследуемой системы. Представление о сущности изучаемого объекта определяют объем и структура аналитического контроля: 1. Минимально необходимый ассортимент определяемых показателей; 2. Требования к чувствительности и точности рекомендуемых методов, способов, места и периодичности отбора проб для анализа; 3. Характер обработки получаемой аналитической информации. 7 Проблема охраны биосферы приобретает первостепенное значение. Многолетние загрязнение компонентов биосферы отходами производства и жизнедеятельности людей приводит к высокой, зачастую токсичной концентрации в почвах, водах, растениях таких элементов, как Pb, Hg, Cd , As, Se, F, V, Cr и др. Внимание ученых привлекают необходимые для жизни растений и животных микроэлементы: B, Mn, Co, Cu, Zn, Mo, I. В последнее время возрос интерес к количественному определению редких и рассеянных элементов в природных объектах. Подвижные формы этих элементов часто содержаться в недостатке. Аналитические данные необходимы для изучения круговорота веществ в природном и антропогенном ландшафте, для контроля чистоты экосистемы, для прогноза положительного действия и установления причин токсикоза повышенных количеств элементов в окружающей среде, кормах и пищевых продуктах, а также для разработки мер по борьбе с загрязнением биосферы. В результатах количественного определения редких и рассеянных элементов в экосистеме нуждаются экологи и биологи, медики и агрохимики, ветеринары и почвоведы, географы и геологи. Многокомпонентные природные материалы - сложные объекта анализа. Например, наличие органического вещества, соединений Si, Fe, Al в почве осложняет определение почти всех микро - и ультрамикроэлементов. В тоже время большинство рекомендованных аналитических методов анализа проверялись на относительно простых по составу растворах и образцах. Поэтому на долю экологов, биологов и почвоведов выпадает сложная задача апробации и доработки метода применительно к природным объектам. По возрастающей сложности анализа природные материалы располагаются в такой ряд: воздух » природные воды » зола растений » почвы. Современный этап развития контроля и охраны природной среды от загрязнения требует увеличения числа определяемых элементов, многие из которых содержатся в ультрамикроконцентрациях. Наиболее перспективными окажутся те методы, которые позволяют одновременно получать информацию о содержании большого числа элементов без значительных затрат времени на предварительную пробоподготовку. Часто для экономичности и высокой продуктивности массовых анализов природных объектов количество определяемых компонентов сокращают и используют упрощенные методы определения, что достаточно оправдано. Например, при анализе сточных вод аграрного комплекса определяют только БПК или ХПК, упуская другие компоненты, содержание которых значительно ниже нормативных значений. В тоже время в случае частого определения высоких значений БПК и ХПК вместо классического метода, протекающего 5 дней, используют экспресс-анализ, который осуществляется за 0,5 часа. Т.о., в экологических исследованиях анализ природных объектов играет большую роль и является важным звеном экологических изысканий. В цепочке постановки цели и задач, выбора методов, отбора проб, анализа природных объектов, обработки результатов, формулировке выводов, именно анализ 8 природных объектов определяет корректность дальнейшего проведения экологических исследований. Лекция № 2. Классификация методов исследования природных объектов. 1. Выбор метода. 2. Количественные и качественные методы анализа. 3. Физические, химические, физико-химические, биологические методы анализа. 4. Физико-химические методы, как основные в экологических исследованиях. 1. Основные требования к методам аналитической химии: правильность, хорошая воспроизводимость результатов, низкий предел обнаружения нужных компонентов, избирательность, экспрессность, простота анализа, возможность его автоматизации. Выбирая метод анализа, необходимо четко знать цель анализа, задачи, которые нужно при этом решить, оценить достоинства и недостатки доступных методов анализа. Наибольшее практическое значение в химическом качественном анализе имеют качественные реакции, позволяющие обнаруживать данный элемент даже при небольших его концентрациях в присутствии большого числа других элементов. Помимо селективности, важнейшей характеристикой реакции является ее чувствительность, выраженная наименьшим количеством обнаруживаемого элемента или же наименьшей концентрацией раствора, при которой данный элемент может быть однозначно обнаружен без предварительного обогащения (предельная концентрация). Чувствительность – минимальная определяемая концентрация вещества. В основе аналитических методов – получение и измерение аналитического сигнала, т.е. любое проявление химических и физических свойств вещества в результате протекания химической реакции. Качественные аналитические реакции по способу их выполнения делятся на реакции «мокрым» и «сухим» путем. Анализ «сухим» путем проводится с твердыми веществами. Анализ сухим путем применяется для предварительных испытаний и при исследовании минералов. Он включает испытание на окрашивание пламени газовой горелки, в которое на платиновой игле вносят исследуемое вещество, смоченное 7,5 н. растворе HCl. Таким путем обнаруживают Hg(I), Pb, Cu, As, Sb, Te, Ga, Ba, Sr, Ca, Li, Na, K, Rb, Cs. Другим классическим методом предварительного испытания «сухим» путем является получение перлов буры со следами анализируемого вещества при нагревании. По окраске перлов можно судить о наличии Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Mo, W, Nb. Иногда нагревают небольшую пробу анализируемого материала в закрытой или открытой стеклянной трубке и наблюдают образующиеся на холодных частях трубки возгоны или распознают выделяющиеся газы по запаху либо другим путем. 9 Наибольшее значение имеют реакции, проводимые «мокрым» путем. Для их проведения исследуемое вещество нужно предварительно растворить. В качественном анализе используются только те реакции, которые сопровождаются какими-либо хорошо заметными внешними эффектами: изменением окраски раствора, выпадением или растворением осадка, выделением газов с характерным запахом или цветом и др. Анализируемый объект ( индивидуальное вещество или смесь веществ) может находиться в любом агрегатном состоянии (твердом, жидком, газообразном). Объект для анализа называется образцом или пробой. Перед исследованием вещество предварительно подготавливают к анализу. Отбор средней пробы является одной из важнейших подготовительных операций. Его цель – получить относительно небольшое количество исходного вещества, в котором количественное содержание всех компонентов должно быть равно количественному содержанию их во всей массе анализируемого вещества. Если средняя проба анализируемого вещества не соответствует составу всей партии, то теряет смысл даже самый тщательный анализ этого вещества. Методы отбора пробы различных материалов сильно отличаются друг от друга. При отборе проб руководствуются правилами, подробно описанными в ГОСТах, посвященных анализу этих материалов. 2. Существуют следующие классификации методов анализа: 1. По объектам анализа: неорганический и органический; 2. По цели: качественный и количественный. Количественный анализ позволяет установить количественные соотношения составных частей данного соединения или смеси веществ. В отличие от качественного анализа количественный анализ дает возможность определить содержание отдельных компонентов анализируемого вещества или общее содержание определяемого вещества в исследуемом объекте. Методы качественного и количественного анализа, позволяющие определить в анализируемом веществе содержание отдельных элементов, называют элементным анализом; функциональных групп – функциональным анализом; индивидуальных химических соединений, характеризующихся определенной молекулярной массой, – молекулярным анализом, отдельных структурных ( фазовых) составляющих гетерогенных систем, различающихся по свойствам и физическому строению и ограниченных друг от друга поверхностями раздела, – фазовым анализом. 3. По способу выполнения: химические, физические и физикохимические (инструментальные) методы. 4. По массе пробы: макро– (>> 0,10г), полумикро– (0,10 – 0,01г), микро– (0.01 – 10−6 г), ультрамикроанализ (< 10−6 г). 3. Под методом анализа понимают достаточно универсальный и теоретически обоснованный способ определения состава веществ. Методы аналитической химии позволяют отвечать на вопросы о том, из чего состоит вещество, 10 какие компоненты входят в его состав. Эти методы часто дают возможность узнать, в какой форме данный компонент присутствует в веществе, например, установить степень окисления элемента. Иногда возможно оценить пространственное расположение компонентов. Задачу аналитического контроля химического состава решают специальные лаборатории заводов, предприятий, цехов, воинских подразделений, гидрометеослужбы, геологических учреждений, медицинских клиник и т.д. Аналитический контроль осуществляется комплексом методов: физических, физико-химических и химических. Все методы, в идеале, следует рассматривать как систему, каждый из компонентов которой призван решать свой круг вопросов. Физические методы основаны на физических явлениях и процессах, на измерении какого-либо параметра системы, который является функцией состава. Например, в спектральном анализе исследуют спектры излучения, возникающие при внесении вещества в пламя горелки или электрической дуги. По наличию в спектре линий, характерных для данных элементов, узнают об элементном составе вещества. В физико-химических методах анализа об элементном составе веществ судят по характерным свойствам атомов или ионов, определяемых данным методом. Например, в хроматографии состав вещества определяют по характерной окраске тонов. Между физическими и физико-химическими методами не всегда можно установить строгую границу. Поэтому их часто объединяют под общим названием инструментальные методы. Массовый анализ однотипных образцов при контроле производства, окружающей среды, в медицине ( например, рутинный каждодневный анализ водопроводной воды, технологических растворов, готового металла или удобрения) проводится автоматическими анализаторами различных типов. Это повышает производительность труда, экспрессность, оперативность, точность анализа, а, следовательно, повышает качество готовой продукции и уменьшает ее себестоимость. Тенденция к возможно большему увеличению роли инструментальных методов в современном анализе несомненна, однако и традиционные классические химические методы широко распространены до настоящего времени и играют важную роль в современной аналитической практике. Наибольшее значение среди химических методов анализа имеют гравиметрические и титриметрические. В основе химических методов обнаружения, определения и разделения лежат химические реакции и специфические свойства веществ. Основными достоинствами химических методов анализа являются простота выполнения и достаточно высокая точность. К недостаткам химических методов анализа относятся большая продолжительность и высокий предел обнаружения. Гравиметрическим ( весовым) анализом называют метод количественного химического анализа, основанный на точном измерении массы определяемого компонента пробы, выделенного либо в элементарном виде, либо в виде соединения определенного состава. 11 Расчеты в гравиметрическом методе следует проводить с максимальной точностью, которая определяется, главным образом, чувствительностью аналитических весов (0,0001 г), поэтому измерение массы проводят также с указанной точностью. Основным инструментом являются весы. При титриметрическом (объемном) анализе количество исследуемого вещества определяют по объему раствора реактива, израсходованного в реакции с данным соединением, т.е. измерение массы (взвешивание) заменяют измерением объема. При этом к раствору исследуемого вещества или части раствора (аликвоте) постепенно прибавляют раствор точно известной концентрации до тех пор, пока вещества не прореагируют полностью. Этот процесс называют титрованием. Способы титрования: 1. Прямое титрование. При прямом титровании титрант непосредственно добавляют к титруемому веществу. 2. Обратное титрование ( с избытком), используется при медленно протекающей реакции. Если скорость реакции мала, или не удается подобрать индикатор, или наблюдаются побочные эффекты, например потери определяемого вещества вследствие летучести, можно использовать прием обратного титрования: добавить к определяемому веществу заведомый избыток титранта Т 4. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Хроматография – наиболее часто используемый аналитический метод. Новейшими хроматографическими методами можно определять газообразные, жидкие и твердые вещества с молекулярной массой от единиц до 106. Это могут быть изотопы водорода, ионы металлов, синтетические полимеры, белки и др. С помощью хроматографии получена обширная информация о строении и свойствах органических соединений многих классов. Хроматография – это физико-химический метод разделения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной. Неподвижной фазой (стационарной) обычно служит твердое вещество (его часто называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу. Метод позволяет разделять многокомпонентную смесь, идентифицировать компоненты и определять ее количественный состав. Хроматографические методы классифицируют по следующим признакам: а) по агрегатному состоянию смеси, в котором производят ее разделение на компоненты – газовая, жидкостная и газожидкостная хроматография; б) по механизму разделения – адсорбционная, распределительная, ионообменная, осадочная, окислительно-восстановительная, адсорбционно комплексообразовательная хроматография; в) по форме проведения хроматографического процесса – колоночная, капиллярная, плоскостная (бумажная, тонкослойная и мембранная). ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 12 В основе химических методов обнаружения и определения лежат химические реакции трех типов: кислотно-основные, окислительно-восстановительные и комплексообразования. Иногда они сопровождаются изменением агрегатного состояния компонентов. Наибольшее значение среди химических методов имеют гравиметрический и титриметрический. Эти аналитические методы называются классическими. Критериями пригодности химической реакции как основы аналитического метода в большинстве случаев являются полнота протекания и большая скорость. Гравиметрические методы. Гравиметрический анализ заключается в выделении вещества в чистом виде и его взвешивании. Чаще всего такое выделение проводят осаждением. Реже определяемый компонент выделяют в виде летучего соединения (методы отгонки). В ряде случаев гравиметрия – лучший способ решения аналитической задачи. Это абсолютный (эталонный) метод. Недостатком гравиметрический методов является длительность определения, особенно при серийных анализах большого числа проб, а так же неселективность – реагенты-осадители за небольшим исключением редко бывают специфичны. Поэтому часто необходимы предварительные разделения. Аналитическим сигналов в гравиметрии является масса. Титриметрические методы. Титриметрическим методом количественного химического анализа называют метод, основанный на измерении количества реагента В, затраченного на реакцию с определяемым компонентом А. Практически удобнее всего прибавлять реагент в виде его раствора точно известной концентрации. В таком варианте титрованием называют процесс непрерывного добавления контролируемого количества раствора реагента точно известной концентрации (титрана) к раствору определяемого компонента. В титриметрии используют три способа титрования: прямое, обратное и титрование заместителя. Прямое титрование – это титрование раствора определяемого вещества А непосредственно раствором титрана В. Его применяют в том случае, если реакция между А и В протекает быстро. Обратное титрование заключается в добавлении к определяемому веществу А избытка точно известного количества стандартного раствора В и после завершения реакции между ними, титровании оставшегося количества В раствором титрана В’. Этот способ применяют в тех случаях, когда реакция между А и В протекает недостаточно быстро, либо нет подходящего индикатора для фиксирования точки эквивалентности реакции. Титрование по заместителю заключается в титровании титрантом В не определяемого количества вещества А, а эквивалентного ему количества заместителя А’, получающегося в результате предварительно проведенной реакции между определяемым веществом А и каким-либо реагентом. Такой способ титрования применяют обычно в тех случаях, когда невозможно провести прямое титрование. Кинетические методы. Кинетические методы основаны на использовании зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ, а в случае 13 каталитических реакций и от концентрации катализатора. Аналитическим сигналом в кинетических методах является скорость процесса или пропорциональная ей величина. Реакция, положенная в основу кинетического метода, называется индикаторной. Вещество, по изменению концентрации которого судят о скорости индикаторного процесса, - индикаторным. Биохимические методы. Среди современных методов химического анализа важное место занимают биохимические методы. К биохимическим методам относят методы, основанные на использовании процессов, происходящих с участием биологических компонентов (ферментов, антител и т.п.). Аналитическим сигналом при этом чаще всего являются либо начальная скорость процесса, либо конечная концентрация одного из продуктов реакции, определяемая любым инструментальным методом. Ферментативные методы основаны на использовании реакций, катализируемых ферментами – биологическими катализаторами, отличающимися высокой активностью и избирательностью действия. Иммунохимические методы анализа основаны на специфическом связывании определяемого соединения – антигена соответствующими антителами. Иммунохимическая реакция в растворе между антителами и антигенами – сложный процесс, протекающий в несколько стадий. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Электрохимические методы анализа и исследования основаны на изучении и использовании процессов, протекающих на поверхности электрода или в приэлектродном пространстве. Любой электрический параметр (потенциал, сила тока, сопротивление и др.), функционально связанный с концентрацией анализируемого раствора и поддающийся правильному измерению, может служить аналитическим сигналом. Различают прямые и косвенные электрохимические методы. В прямых методах используют зависимость силы тока (потенциала и т.д.) от концентрации определяемого компонента. В косвенных методах силу тока (потенциал и т.д.) измеряют с целью нахождения конечной точки титрования определяемого компонента подходящим титрантом, т.е. используют зависимость измеряемого параметра от объема титранта. Для любого рода электрохимических измерений необходима электрохимическая цепь или электрохимическая ячейка, составной частью которой является анализируемый раствор. Существуют различные способы классификации электрохимических методов – от очень простых до очень сложных, включающих рассмотрение деталей электродных процессов. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ К спектроскопическим методам анализа относят физические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Это взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируются экспериментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 14 Масс-спектрометрический метод анализа основан на ионизации атомов и молекул излучаемого вещества и последующем разделении образующихся ионов в пространстве или во времени. Наиболее важное применение масс-спектрометрия получила для идентификации и установления структуры органических соединений. Молекулярный анализ сложных смесей органических соединений целесообразно проводить после их хроматографического разделения. МЕТОДЫ АНАЛИЗА, ОСНОВАННЫЕ НА РАДИОАКТИВНОСТИ Методы анализа, основанные на радиоактивности, возникли в эпоху развития ядерной физики, радиохимии, атомной техники и с успехом применяются и в настоящее время при проведении разнообразных анализов, в том числе в промышленности и геологической службе. Эти методы весьма многочисленны и разнообразны. Можно выделить четыре основные группы: радиоактивный анализ; методы изотопного разбавления и другие радиоиндикаторные методы; методы, основанные на поглощении и рассеянии излучений; чисто радиометрические методы. Наибольшее распространение получил радиоактивационный метод. Этот метод появился после открытия искусственной радиоактивности и основан на образовании радиоактивный изотопов определяемого элемента при облучении пробы ядерными или gчастицами и регистрации полученной при активации искусственной радиоактивности. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Термические методы анализа основаны на взаимодействии вещества с тепловой энергией. Наибольшее применение в аналитической химии находят термические эффекты, которые являются причиной или следствием химических реакций. В меньшей степени применяются методы, основанные на выделении или поглощении теплоты в результате физических процессов. Это процессы, связанные с переходом вещества из одной модификации в другую, с изменением агрегатного состояния и другими изменениями межмолекулярного взаимодействия, например, происходящими при растворении или разбавлении. Термические методы успешно используются для анализа металлургических материалов, минералов, силикатов, а так же полимеров, для фазового анализа почв, определения содержания влаги в пробах. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА Биологические методы анализа основаны на том, что для жизнедеятельности – роста, размножения и вообще нормального функционирования живых существ необходима среда строго определенного химического состава. При изменении этого состава, например, при исключении из среды какого-либо компонента или введении дополнительного (определяемого) соединения организм через какое-то время, иногда практически сразу, подает соответствующий ответный сигнал. Установление связи характера или интенсивности ответного сигнала организма с количеством введенного в среду или исключенного из среды компонента служит для его обнаружения и определения. Аналитическими индикаторами в биологических методах являются различные живые организмы, их органы и ткани, физиологические функции и 15 т.д. В роли индикаторного организма могут выступать микроорганизмы, беспозвоночные, позвоночные, а так же растения. Лекция № 3. Приборы и измерения в экологических исследованиях. 1. 2. 3. 4. Приборы в экологических исследованиях. Измерения в экологических исследованиях. Погрешности и неточности в анализе. Метрологические характеристики анализа. 1. К настоящему времени разработано большое количество разнообразных приборов контроля состояния окружающей среды. Для ориентирования в этой области и реализации знаний, умений и навыков, приобретенных в образовательных учреждениях экологического направления, целесообразно классифицировать эти приборы. Классификация проведена по следующим признакам: по видам исследуемой среды: приборы для измерения концентрации вредных примесей в атмосфере (газоанализаторы различного типа, хроматографы, масс-спектрометры); приборы для определения качества воды (фотоэлектрокалориметры, ионометры, рефрактометры); приборы для исследования состояния почвы и твердых веществ (спектрометры, флуориметры, радиометры); по методам получения информации: химические (реактивы и оборудование стационарных химических лабораторий, так называемая «мокрая химия»); физико-химические; оптические (спектрофотометры, фотоэлектрокалориметры, ионометры);I электрохимические (ионометры, кондуктометры, полярографы) хроматографические (жидкостные и газовые хроматографы и различные хроматографические колонки); физические; радиометры и дозиметры; электромагнитометры; масс-спектрографы; шумомеры; по условиям применения: стационарные приборы (для атомного и молекулярного спектрального анализа, хроматографы). Эти приборы прецизионные (точные) и требуют специальных условий для работы и подготовки обслуживающего персонала; переносные приборы экологического контроля (чаще всего они называются приборами экспресс-анализа и используются, в частности, в передвижных экологических лабораториях). Эти приборы (радиометры, нитратомеры, комплекты для качественного анализа воды почвы) имеют невысокую 16 точность, но для проведения простейших экологических работ, в частности в школьных кружках, вполне могут использоваться. Например, если с помощью радиометра «Белла» обнаружен зараженный участок территории с уровнем радиации выше допустимой (выше 20 мкР/ч), то для последующей оценки целесообразно использовать более точный радиометр (СРП-88); по учебно-производственному принципу. приборы 1-го учебно-практического уровня, которые целесообразно применять в работе школьных экологических кружков и экспедиций. К ним относятся следующие приборы: радиометр «Белла», нитратомер ЭБИК (Морион), анализатор качества почвы «АП-дельта», комплект приборов КЙ, УГ-2 или «Пчелка-У» с чеками, а также биолюмограф «Биотоке». Эти приборы имеют не высокую стоимость и их использование позволяет полностью обеспечить работу школьного экологического кружка.; приборы 2-го учебно-профессионального уровня (основной уровень), предназначенные для реализации профессионального экологического образования по специальности «Техник-эколог» и, в меньшей степени, по специальности «Лаборант-эколог»; приборы 3-го профессионального уровня, применяемые в промышленности, подразделениями Госсанэпиднадзора и в науке. Это |дорогие и точные приборы, для их обслуживания необходима специальная подготовка. Метрология — это наука о мерах. Современная метрология является учением о единицах, средствах и методах измерения. Основными задачами метрологии являются поверка и испытание измерительных приборов для установления точности и надежности их действия. Основные понятия метрологии. Величина — это количественная характеристика физического тела, явления или процесса. Измерения — это действия, выполняемые с помощью приборов; цель измерений — нахождение числового значения измеряемой величины в принятых единицах измерения. Единица измерения — это значение физической величины, принятой за основание для сравнения при количественной оценке величины того же рода (например, метр — единица дайны). Система единиц - совокупность единиц измерения, охватывающих определенную область величин. Измерения бывают контактные и бесконтактные. При контактном измерении датчик измерительного устройства соприкасается с измеряемым объектом, а при бесконтактном — не соприкасается. К бесконтактным измерениям относятся оптические, радиоактивные и др. Контакт с измеряемым объектом может быть точечным, линейным и поверхностным. 17 Средства измерения подразделяются на меры тела, вещества и устройства, предназначенные для конкретного воспроизведения единицы измерения или определенного, заранее установленного размера.. контрольноизмерительные приборы измерительные приспособления это устройства, которые служат для прямого или косвенного сравнения измеряемой величины с мерой. обеспечивают сравнение измеряемой величины с контрольной. Контрольно-измерительные приборы классифицируются по способу получения результатов измерения и способу отсчета показаний и характеру применения. По способу получения результатов измерения различают приборы сравнения (компарирующие) предназначены для непосредственного сравнения измеряемой величины с мерой. К ним относятся рычажные весы с гирями, лабораторные потенциометры и др. показывающие Суммирующие служат для определения значения измеряемой величины (например, давления, температуры) по отсчетным приспособлениям (шкале, цифровому указателю и др.), предварительно проградуированным путем прямого или косвенного сравнения с мерами. Показывающие приборы являются наиболее многочисленными. показывают суммарное значение измеряемой величины за время действия прибора (например, расходомеры). По характеру применения измерительные приборы подразделяются на самопишущие указывающие сигнализирующие Регулирующие (регистрирующие) позволяют снабжены имеют специ- предназначены для наблюдателю устройствами для альные поддержания производить автоматической приспособления значения отсчет записи измеряемых для включения измеряемой измеряемой величин звуковой или величины — величины световой параметра — на 18 только в данный момент. сигнализации, когда измеряемая величина достигает заданного значения. заданном уровне или по заданной программе в соответствии с требованиями технологического процесса (например, регуляторы уровня, температуры и др.). По способу отсчета показания различают приборы с непосредственным отсчетом с управляемым отсчетом требуют для получения отсчета дают показания автоматически, без некоторых операций по наладке и участия наблюдателя (амперметры, регулировке их отсчетных устройств термометры, автоматические (неавтоматические мосты, оптические потенциометры и др.). пирометры и др.). По метрологической классификации меры и измерительные приборы разделяются на образцовые рабочие Образцовые меры и измерительные приборы предназначены для Рабочие меры и измерительные воспроизведения единиц измерения, приборы служат для измерений в поверки и градуировки рабочих производственных условиях. измерительных приборов. 3. Различают три основных вида абсолютных погрешностей: случайные, систематические, промахи. Случайные погрешности вызываются случайными, неконтролируемыми причинами, действие которых неодинаково при параллельных измерениях. Значения случайных погрешностей могут быть различными даже тогда, когда параллельные измерения производятся в одинаковых условиях, в один и тот же день, одним аналитиком, с одними и теми же реактивами, посудой, приборами и т.д. Например, взвешивая одну и ту же навеску несколько раз на одних весах, пользуясь при этом одними гирями, можно получить разные результаты. Причиной случайных погрешностей в этом случае может оказаться колебание воздуха, неодинаково влияющее на чашки весов, или нагревание одной половины коромысла от руки взвешивающего. Абсолютные погрешности случайным образом изменяются от одного единичного измерения к другому. Они могут быть в одних измерениях очень маленькими, в других — достаточно большими, в одних — отрицательными, а в других — положительными. Какова погрешность данного единичного измерения, сказать нельзя, но можно оценить возможную случайную погрешность данной методики. Для этого при разработке методики производят большое число (десятки и даже сотни) определений концентрации в стандартном образце с точно известной концентрацией в соответствии с данной методикой. 19 Систематические погрешности — это погрешности, значение которых остается неизменным во всех параллельных измерениях. Из-за систематических погрешностей результат анализа оказывается неправильным. Например, при проведении химического количественного анализа источником систематической погрешности может оказаться неточная калибровка посуды или неточно определенный титр рабочего раствора. Сколько бы раз мы ни повторяли определение концентрации - раствора, используя эту мерную посуду или рабочий раствор, результат определения будет иметь одну и ту же погрешность. Промахи — это грубые погрешности, возникающие в результат те недоброкачественной работы аналитика. Например, из-за невнимательности он может записать неверные результаты взвешивания, неправильно снять показания прибора и т. д. О промахе говорят в тех случаях, когда какой-то результат единичного определения сильно отличается от всех остальных. Отбросить такой результат без дополнительной проверки нельзя, так как он может оказаться следствием большой случайной погрешности. 4. Основными метрологическими характеристиками методики анализа являются сходимость, воспроизводимость, правильность, точность, чувствительность и предел обнаружения. Сходимость — это степень близости друг к другу результатов параллельных единичных измерений, выполненных в одинаковых условиях одним и тем же человеком, в один день при использовании одних и тех же материалов и аппаратуры. Воспроизводимость — это степень близости друг к другу результатов единичных измерений, выполненных в различных условиях (например, разными людьми или на разных приборах, в разные дни и т. д.). Воспроизводимость в 1,5—2 раза ниже сходимости. Чем выше сходимость и воспроизводимость методики (т. е. меньше стандартное отклонение), тем реже в единичных измерениях встречаются большие погрешности и тем ближе результаты параллельных измерений. Правильность характеризует близость результатов анализа к истинному содержанию компонента в образце. Правильность обусловлена наличием и значением систематических погрешностей. Точность отражает близость к нулю погрешностей всех видов (как систематических, так и случайных). Чувствительность отражает способность метода обнаружить разницу между близкими концентрациями (количествами) определяемого вещества. Если определение концентрации производится по градуировочной кривой, построенной по стандартным образцам, то чувствительность метода равна тангенсу угла наклона этой кривой при данной концентрации. Если градуировочный график прямолинеен, то чувствительность метода определяется отношением х/с, где х — разность аналитических сигналов; с — соответствующая им разность концентраций. Предел обнаружения характеризует наименьшее содержание определяемого вещества в соответствии с данной доверительной вероятностью. Предел обнаружения определяется с помощью градуировочной кривой по величине минимального обнаруживаемого аналитического сигнала. Различают абсолютный и относительный пределы обнаружения. Абсолютный предел обнаружения — это наименьшее количество вещества, которое может быть обнаружено данным методом., выражается в единицах массы – граммах, миллиграммах, микрограммах и т.п. 20 Относительный предел обнаружения – это наименьшая обнаруживаемая данным методом концентрация, выражается в %, мг/мл, мкг/мл и т.д. Лекция № 4. Методы исследования почв. 1. Физико-химические параметры почвы 2. Определение неорганических примесей и нефтепродуктов 3. Микробиологическое исследование почв 1. Через почвенный покров Земли идут многочисленные экологические связи всех живущих на земле в земле организмов (в том числе и человека) с литосферой, гидросферой и атмосферой. Таким образом, почва занимает «ключевые» положения в биосфере, что делает необходимым ее изучение при проведении экологических исследований. В почве происходит частичная трансформация многих природных соединений и хозяйственных отходов, тем не менее ее свойства как буферной системы, биологического и химического фильтра не беспредельны. Превышение допустимых значений загрязняющих веществ вызывает цепь деградационных изменений в почвах, которые могут завершаться нарушением экологического равновесия в природе. Следовательно проблемы оценки состояния животного и растительного мира, а так же среды обитания человека в целом, непосредственно связаны с вопросами оценки экологического состояния почв. Цвет (окраска). Очень важным и наиболее доступным для описания морфологическим признакам почв является цвет того или иного горизонта. Окраска является характерным диагностическим признаком, позволяющим косвенно судить о других свойствах почвы. Различие в цвете позволяет произвести первичные разделения профиля почвы на соответствующие горизонты. Окраска отражает не только минералогический и химический состав почвенной массы, но и часто направление почвообразовательного процесса. Черная окраска почвы обусловлена содержанием гумуса и его качественным составом, т.к. не всякий гумус придает почвенным горизонтам темную окраску. Варьирование темной окраски может наблюдаться в диапазоне от интенсивно-черной (влажный высокогумусированный горизонт А1 чернозема типичного) до серых тонов различной интенсивности. Белая окраска почвы обусловлена в основном минералогическим составом почвы и содержанием в ее массе кварца, карбонатов калия, каолинита, глинозема, а также аморфной кремнекислоты, светлоокрашенных полевых шпатов и «выцветов» легкорастворимых солей. Чистые белые цвета в окраске генетических горизонтов практически не встречаются. Более светлая окраска присуща подзолистому горизонту 21 А2, но, как правило, она изменяется от белесой до белесовато-светло-серой или белесовато-палевой. Чистый цвет дают белоснежные корочки солей на поверхности солончаков и налеты солей в профиле солончаков. Красная окраска почвы возникает при очень высоком содержании в ее составе полуторных оксидов железа. Эта окраска может быть унаследована от материнской породы или же явиться следствием почвообразовательного процесса. Влажность. Почвенная влага оказывает огромные влияния на перемещение веществ в ее профиле. С колебаниями влажности связаны процессы превращения веществ в почве (их растворение и кристаллизация, окисление и восстановление ). Степень увлажнения оказывает большое влияние и на морфологические свойства почвы- на усиление или ослабление интенсивности окраски, плотность, сложение и связность почвенной массы, степень выраженности структуры и др. Механический состав. Механический состав или гранулометрический, состав является одним из важнейших показателей при характеристике почвы. В зависимости от механического состава складывается определенный водный, воздушный и тепловой режим почв. От механического состава зависит потенциальная способность почвы к структурообразованию. Структурой почвы – называют характер отдельностей, на которые она распадается при потряхивании. Структура и плотность. Структура и плотность почв влияют на ее способность пропускать влагу и воздух, на интенсивность перемещения различных веществ, плодородие почв. Новообразования. По характеру новообразований можно судить о процессах накопления в почве различных веществ. К химическим и физико-химическим показателям состояния почвы относятся ряд свойств, указанных в таблице №1. Данные показатели, в той или иной степени, затрагивают химический состав и свойства почвы, а также обуславливают ее физико-химические свойства. Таблица 1. Химические и физико-химические показатели состояния почвы и параметры для их оценки 22 2. Содержание основных компонентов и примесей в почве часто зависит от состава горной породы, расположенной под почвой; из этой породы они переходят в почву в результате самых различных процессов. Таким образом, путем отбора проб почвы можно проводить геохимическую разведку. Примеси в почве приобретают особую роль при исследовании загрязнения, так как они включают многие элементы, важные для питания животных и растений, либо, наоборот, вызывающие их болезни. В то время как первичные элементы определяют обогащение почвы в профиле (как в целом), распределение элементов внутри профиля зависит от их подвижности и других факторов, например, климата. Физические и химические методы анализа неорганических загрязняющих веществ в почве такие же, что и большая часть методов, предложенных ранее для воздуха и воды. Отбор и хранение образцов почвы следует проводить в соответствии с установленным порядком. Существует элементарный анализ методами эмиссионной рентгеновской спектрографии, оптической эмиссионной спектрографии, пламенной фотометрии, абсорбционной спектрофотометрии и полярографии. В основе других методов лежит катионообменная и анионообменная способность, обменная кислотность, активность иона водорода, растворимость солей, для общего элементарного анализа, известные методы для определения Si, Fe, Ti, А1, Са, Mg, Мп, К, Na, Р, Mo, В, Со, Си, Zn, S, Se, Cl,Br, F, N (в различных формах) и карбоната. Большая часть указанной информации приходится на методы, позволяющие определить общее содержание неорганических компонентов в почве, однако отсутствует информация о комплексных исследованиях неорганических загрязнений. Тем не менее, ясно, что данные об общем количестве элемента не дают полной информации при его изучении, если не указана форма, в которой присутствует анализируемый элемент (катион, анионный комплекс, в адсорбированном виде или в виде металла, в виде включения в кристаллическую структуру почвенного минерала). Специалисты в области сельского хозяйства н почвоведения в течение многих лет использовали различные водные среды для стимулирования захвата питательных веществ корнями растений, внеся тем самым вклад в данные о «пригодных» удобрениях. При изучении неорганических загрязнителей почв были рассмотрен три основных экстрагирующих раствора: вода, этилендиаминтетрауксусная (ЭДТУ) и уксусная кислоты. Следует отметить, что эти растворы взяты произвольно и результаты зависят от таких факторов, как рН почвы, тип почвы, форма элемента (например, степень окисления), размер частиц в образце, сила раствора и время встряхивания или вымывания. Совершенно очевидно, что такие 23 растворы дают весьма ценные данные о неорганическом загрязнении почв, пригодные для сравнения. Нефтепродукты определяют гравиметрическим методом. Ход определения: пробу сточной воды объемом 100 - 3000 мл вносят в делительную воронку, прибавляют соляную кислоту плотностью 1,19 г/мл до значения рН < 5, приливают 20 мл экстрагента (гексан, четыреххлористый углерод, петролейный эфир) и сильно встряхивают несколько минут. Затем разделяют, а водный слой обрабатывают второй порцией экстрагента. Соединенные экстракты высушивают, всыпая в них около 1 г прокаленного сульфата натрия и присоединив колбу к холодильнику, отгоняют растворитель до тех пор, пока в колбе не останется несколько мл жидкости. Остаток переливают в колонку с сорбентом, под которую подставляют маленькую сухую колбу. Пропускают через колонку небольшими порциями чистый растворитель (40-45 мл), обмывая им предварительно стенки колбы, где был экстракт и собирают элюат в подставленную под колонку колбу. Взвесив вместе с крышкой маленький бюкс, помещают его в вытяжной шкаф на расстоянии 25-30 см от комнатного вентилятора, вливают в бюкс на три четверти полученный раствор нефтепродуктов в органическом растворителе и включают вентилятор. По мере испарения - подливают новые порции. Когда в бюксе останется 0,5 мл испарение продолжается без вентилятора. Бюкс взвешивают каждые 2 минуты до достижения постоянной массы. Расчет: Х = (m1–m2)Ч1000/V мг/л, где m1 -масса бюкса с остатком после удаления экстрагента; m2 масса пустого бюкса; V - объем пробы. 3. Почва обильно населена микроорганизмами и. служит основным поставщиком их во все другие естественные среды. В связи с большой гетерогенностью состава почвы для учета численности микроорганизмов в ней с исследуемого участка берут среднюю почвенную пробу. Пробу берут стерильным буром, стерильной лопатой и стерильным ножом в заранее подготовленные стерильные полиэтиленовые, пергаментные мешки или в стерильные широкогорлые банки, закрывающиеся корковыми пробками, обернутыми ватой. Бур, лопату и нож стерилизуют (фламбированием) в поле перед взятием образца. Тщательно отмытые предметы обжигают горящим спиртом и неоднократно погружают в почву. На мешок или банку наклеивают этикетку с указанием места взятия образца, горизонта, даты. До анализа и между определениями пробы хранят в холодильнике При определении численности бактерий в почве сначала готовят методом разведения суспензии, содержащие разные концентрации почвы в 1 мл (10~2, 10~3, 10~4, 10-5). 24 Для этого на стерильное часовое стекло стерильным фарфоровым шпателем или алюминиевой чайной ложкой берут из банки навеску почвы 1 г. Предварительно почву в банке тщательно перемешивают. Ложку и часовое стекло обжигают в пламени горелки. Чтобы при взвешивании почвы в нее не попали из воздуха бактерии, часовое стекло накрывают другим часовым стеклом. Навеску почвы, соблюдая условия асептики, переносят в колбу на 250 мл с 99 мл стерильной водопроводной воды. Смесь взбалтывают в течение 5 мин, не смачивая пробку. Стерильной пипеткой берут 1 мл суспензии, содержащей 10~2 г почвы, и переносят в пробирку с 9 мл стерильной водопроводной воды. Пипетку неоднократно промывают водой из пробирки, чтобы максимально смыть клетки со стенок пипетки, и отставляют. Другой стерильной пипеткой берут из колбы еще 1 мл суспензии и помещают во вторую колбу, тоже содержащую 99 мл стерильной водопроводной воды, пипетку так же промывают и отставляют. Пробирку и вторую колбу взбалтывают 1 мин. В пробирке в 1 мл концентрация 10~3 г, а во второй колбе—КН г. Точно так же переносят стерильными пипетками по 1 мл суспензии из второй колбы во вторую пробирку с 9 мл и в третью колбу с 99 мл стерильной водопроводной воды, готовят суспензии, содержащие соответственно в 1 мл 10~5 и 10~6 г почвы. Для определения численности бактерий методом питательных пластин можно провести глубинный или поверхностный посев. Поверхностный посев более сложен и занимает больше времени. Поэтому для усвоения принципа подсчета численности бактерий методом питательных пластин на первых порах ограничимся проведением глубинного посева. Поверхностный посев будет использован при проведении общего микробиологического анализа почвы. Чтобы определить, сколько клеток содержится в 1 мл суспензии каждого разведения, отдельными стерильными пипетками берут 1 мл суспензии из соответствующего разведения и переносят в стерильные чаши Петри. На крышке чашки восковым карандашом отмечают разведения. Затем в каждую чашку с суспензией вливают расплавленный столбик мясопептонного агара, заранее приготовленный и разлитый в пробирки (2/з объема их) из расчета один столбик на чашку. Температура расплавленного агара должна быть примерно 45°С Ее устанавливают следующим образом: пробирку с расплавленным агаром прикладывают к щеке, если щека выдерживает температуру, столбик агара можно вылить в чашку Петри, Осторожным круговым вращением чашки агар перемешивают с суспензией. Чашки с застывшим агаром переворачивают вверх дном (чтобы избежать попадания на поверхность агара конденсационной воды с крышки), и помещают в термостат при 28—30°С Клетки микроорганизмов, попав в питательную среду, начинают размножаться и образуют колонии, видимые невооруженным глазом. Через 48 ч инкубации чашки вынимают из термостата и в них 25 подсчитывают число колоний. Окончательно подсчитывают колонии на 5е сутки. Чтобы подсчитать число бактерий в 1 г сырой почвы, число колоний на чашке умножают на степень разведения (число, показывающее, во сколько раз в каждом конкретном случае разбавили 1 г почвы). При умножении числа колоний на степень разведения во всех случаях, казалось бы, должно получиться примерно одинаковое число зародышей в 1 г почвы. Однако практически это не совсем так. Иногда может оказаться так много клеток, что при развитии микроорганизмов колонии сольются; это часто наблюдается в чашках при разведении 10~2. Редко в чашках с суспензией из высоких разведений вырастают единичные колонии (меньше десяти), которые могут образоваться от случайно попавших клеток из воздуха. Поэтому при подсчете цифры могут сильно отклоняться, и результат будет недостоверным. Для правильного учета подсчитывают только такие чашки, в которых колоний свыше десяти и не более 200 (в последнем случае при условии, если колонии мелкие). г Чашки просматривают в проходящем свете, и, чтобы дважды не подсчитывать одни и те же колонии, их отмечают чернилами или тушью. Чтобы не упустить мелкоточечные колонии, чашки дополнительно просматривают с лупой. Можно использовать специальный прибор для подсчета колоний. В лабораторной практике встречаются случаи, когда в последнем разведении (10-6) число колоний значительно- больше 200. В этих случаях посев желательно повторить, увеличив число разведений. Если, однако; новый посев осуществить невозможно, чашки подсчитывают, но исследователь может получить представление лишь о минимальном количестве микроорганизмов в почве. Для подсчета большого числа колоний (более 200) используют счетную камеру Вольфюгеля. Перевернутые вверх дном чашки Петри помещают на подставку камеры и накрывают стеклянной пластинкой, на которой нанесены квадратные сантиметры или более мелкие единицы. Число колоний подсчитывают в разных местах чашки в. 20—25 квадратах, выводят среднее арифметическое на 1 см и делают пересчет на общую площадь чашки, равную площади круга. Метод питательных пластин легко выполним, но имеет ряд недостатков. Существенным из них является отсутствие универсальной среды, на которой развивались бы все бактериальные зародыши, обитающие в почве. Питание у бактерий специфично, и на каждой среде выявляется довольно узкая группа микроорганизмов. Так, на МПА развиваются в основном бактерии, способные усваивать органические формы азота. Нитрифицирующие, целлюлозоразрушающие, азотфиксирующие и другие микробы на этой среде не выявляются. Для более полного представлений о населенности почвы делают посевы также и на специальные 26 избирательные среды или используют метод прямого подсчета микроорганизмов под микроскопом. При методе питательных пластин возможен и неполный учет клеток в образце в связи с тем, что в одном месте на агаре может застыть не одна, а несколько клеток. Изолированные на агаре в одном месте клетки размножаются, их колонии сливаются, создавая впечатление только одной. Частично можно внести поправку в счет колоний. Для этого из колонии с неоднородным характером роста готовят окрашенный препарат. Если под микроскопом обнаружатся разные формы (кокки, палочки, сардины), то вносят поправку и колонию считают не за одну, а за три. Если же все клетки одинаковые, то считают, что колония произошла от одной клетки, хотя в этом месте одинаковых клеток могло быть 5, 10 и больше. Для сравнения численности бактерий в разных почвах необходимо подсчитать их количество на 1 г абсолютно сухой почвы. С этой целью одновременно со взятием навески почвы для приготовления разведений в отдельный металлический или стеклянный бюкс берут навеску почвы (5— 10 г) для определения влажности ее. Сушат почву при 105°С до постоянной массы. Затем число клеток в 1 г сырой почвы надо разделить на навеску абсолютно сухой почвы, содержащейся в 1 г сырой почвы. Пример. В 1 г сырой почвы содержится 5600 клеток. При влажности почвы 30% это число клеток будет соответствовать 0,7 г абсолютно сухой почвы. Для определения численности клеток в 1 г абсолютно сухой почвы составляют пропорцию: 0,7 г —5600 х =8000. Лекция № 5. Методы анализа воздуха. 1. Особенности и методы анализа воздуха. 2. Хроматографические методы: А) Жидкостная и высокоэффективная жидкостная хроматография. Б) Абсорбционная хроматография. В) Газовая хроматография. 1. Хроматография в настоящее время является наиболее широко используемым методом исследования объектов окружающей среды. Хроматографический метод был предложен в 1903 году русским ученым М.С. Цветом. Он писал: «При фильтрации смешанного раствора через столб адсорбента пигменты... расслаиваются в виде отдельных, различно окрашенных зон. Подобно световым лучам в спектре, различные компоненты сложного пигмента закономерно распределяются друг за другом в столбе адсорбента и становятся доступными качественному определению. Такой расцвеченный препарат я назвал хроматограммой, а соответствующий метод анализа хроматографическим методом. Работы М.С.Цвета послужили фундаментом для развития остальных видов 27 хроматографии для разделения как окрашенных, так и неокрашенных соединений, осуществляемых в любых средах. Хроматография - это метод разделения и определения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами: подвижной и неподвижной. Неподвижной (стационарной) фазой служит твердое пористое вещество (часто его называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу, иногда под давлением. Компоненты анализируемой смеси (сорбаты) вместе с подвижной фазой передвигаются вдоль стационарной фазы. Ее обычно помещают в стеклянную или металлическую трубку, называемую колонкой. В зависимости от силы взаимодействия с поверхностью сорбента (за счет адсорбции или по какому-либо другому механизму) компоненты будут перемещаться вдоль колонки с разной скоростью. Одни компоненты останутся в верхнем слое сорбента, другие, в меньшей степени, взаимодействующие с сорбентом, окажутся в нижней части колонки, а некоторые и вовсе покинут колонку вместе с подвижной фазой (такие компоненты называются неудерживаемыми, а время их удерживания определяет "мертвое время" колонки). Таким образом происходит быстрое разделение сложных смесей компонентов. Следует подчеркнуть следующие достоинства хроматографических методов: 1. Разделение носит динамический характер, причем акты сорбциидесорбции разделяемых компонентов повторяются многократно. Этим обусловлена значительно большая эффективность хроматографического разделения по сравнению со статическими методами сорбции и экстракции. 2. При разделении используют различные типы взаимодействия сорбатов и неподвижной фазы: от чисто физических до хемосорбционных. Это обуславливает возможность селективного разделения широкого круга веществ. 3. На разделяемые вещества можно накладывать различные дополнительные поля (гравитационное, электрическое, магнитное и др.), которые, изменяя условия разделения, расширяют возможности хроматографии. 4. Хроматография - гибридный метод, сочетающий одновременное разделение и определения нескольких компонентов. 5. Хроматография позволяет решать как аналитические задачи (разделение, идентификация, определение), так и препаративные (очистка, выделение, концентрирование). Решение этих задач можно сочетать, выполняя их в режиме "on line". Многочисленные методы классифицируются по агрегатному состоянию фаз, механизму разделения и технике проведения разделения. 28 Хроматографические методы различаются и по способу проведения процесса разделения на фронтальный, вытеснительный и элюентный. Для решения аналитический задач используется элюентный метод, он имеет следующие достоинства: - дает наиболее полное разделение, поскольку зоны сорбатов разделены зонами элюента; - сорбент непрерывно регенерируется; - параметры удерживания хорошо воспроизводимы. Элюентная хроматограмма, являющаяся зависимостью сигнала прибора (ось ординат) от времени или объема подвижной фазы (ось абсцисс), представляет собой совокупность пиков разделяемых компонентов. Обычно отдельный пик представляет собой гауссову кривую. Рассмотрим основные хроматографические параметры, характеризующие поведение вещества в колонке. Время от момента ввода анализируемой пробы до момента регистрации максимума В аналитической практике используют различные варианты хроматографического разделения: жидкостную или газовую; колоночную или плоскостную; адсорбционную, распределительную или ионообменную хроматографию. 2. Газовая хроматография метод разделения летучих, термостабильных соединений. Этим требованиям отвечает около 5% известных органических соединений, но именно эти соединения оставляют 70-80 % соединений, которые использует человек в сфере производства и быта. Подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу, имеющую большую поверхность. В качестве подвижной фазы можно использовать водород, гелий, азот, аргон и углекислый газ. Наиболее часто используют азот, как более доступный и дешевый. Газ-носитель обеспечивает перенос разделяемых компонентов по хроматографической колонке и не взаимодействует ни с разделяемыми веществами, ни с неподвижной фазой. Достоинствами газовой хроматографии являются: - сравнительная простота аппаратурного оформления; - весьма широкие границы применимости (можно определять соединения, для которых достигается давление насыщенного пара 0,001-1 ммрт.ст.); - возможность определения с высокой точностью малых количеств газов органических соединений с высокой точностью; - быстрота анализа; - широкий выбор сорбентов и неподвижных фаз; - высокая гибкость изменения условий разделения; - возможность осуществления химических реакций в 29 хроматографической колонке или детекторе, что расширяет круг анализируемых соединений (реакционная газовая хроматография); Различают два варианта метода: газо-адсорбционную, когда неподвижной фазой служит твердый носитель, и газо-жидкостную хроматографию, когда неподвижной фазой является вязкая, нелетучая жидкость, нанесенная на инертный носитель. 3. Адсорбционная хроматография Метод анализа смесей газов и легколетучих веществ. Разделение основано на различии в адсорбции на поверхности твердого носителя (адсорбента). Адсорбция может быть обусловлена неспецифическими (ориентационными, индукционными и дисперсионными) и специфическими взаимодействиями (комплексообразованием, либо образованием водородной связи) и зависит от природы адсорбента и сорбата. В качестве адсорбентов используют пористые носители, которые обладают химической, физической и термической стабильностью; однородной поверхностью, равномерным распределением по размеру пор и известной адсорбционной активностью. Адсорбционная активность зависит от удельной поверхности (определяется геометрической структурой носителя) и удельной поверхностной энергии (определяется химической структурой поверхности). На рис. 5 и 6 показаны классификации адсорбентов по их геометрической структуре и химической природе, предложенные А.В. Киселевым. Достоинствами адсорбентов в качестве неподвижных фаз являются способность выдерживать высокие температуры, отсутствие фонового сигнала при работе с ионизационными детекторами и высокая селективность. Адсорбенты делятся на неорганические, полимерные (органические) и модифицированные. Среди неорганических адсорбентов особо важны сорбенты на основе углеродных материалов. Это неполярные сорбенты, для них особую роль в процессе разделения играют геометрические параметры поверхности. Наиболее интересная особенность данных материалов - возможность разделения структурных изомеров. Широко используются полярные неорганические сорбенты на основе двуокиси кремния. Особый интерес для газо-адсорбционной хроматографии представляет использование цеолитовых молекулярных сит, которые успешно позволяют разделять различные газовые смеси. Применение адсорбентов на основе А12О3 ограничено из-за его гетерополярной поверхности, гигроскопичности и асимметрии пиков разделяемых соединений. Сорбенты используют для разделения легких углеводородов. Наиболее многообразны полимерные сорбенты на основе пористых полимеров стирола и дивинилбензола и дивинилбензола. Их удается синтезировать с заданными свойствами и очень чистой поверхностью. Это 30 гидрофобные сорбенты, слабо удерживающие полярные молекулы, содержащие гидрокси- амино-группы. Основная область применения полимерных сорбентов - разделение полярных и реакционно способных газов и высоко полярных органических соединений; определение воды в органических растворителях и летучих органических примесей в воде. Рис Классификация адсорбентов по их геометрической структуре На практике чаще используют газо-жидкостную хроматографию, благодаря многообразию неподвижных фаз. В газо-жидкостной хроматографии разделение компонентов пробы достигается за счет многократного повторения процессов распределения между движущейся газовой и неподвижной жидкой фазами. Скорость миграции компонентов зависит от их летучести и способности растворяться в стационарной жидкой фазе. Компоненты с низкой растворимостью в жидкой фазе и наибольшей летучестью при данной температуре продвигаются по колонке быстрее, и, наоборот, компоненты с низкой летучестью и высокой растворимостью в стационарной фазе обладают малой подвижностью. Чем больше подвижность, тем меньше время удерживания. В качестве носителя неподвижной фазы используют адсорбенты с поверхностью 0,5-3,0 м /г и с размером пор (0,5-1,5)10" мм. Наиболее часто используют диатомитовые носители, стеклянные шарики, силикагель и политетрафторэтилен. Неподвижные фазы должны быть химически и термически стабильны, смачивать носитель и наноситься на его поверхность равномерной пленкой. Известно более тысячи неподвижных жидких фаз, достаточно часто используется около 100. По химическому составу неподвижные фазы делят на следующие классы: Углеводороды (предельные углеводороды, смеси предельных и непредельных углеводородов, ароматические углеводороды) Примеры: сквалан, парафиновое масло, апиезоновые смазки, алкилнафталины, 31 полифениловый эфир, силоксаны с радикалами различной полярности (неполярными, среднеполярными и полярными). Выбор неподвижной фазы зависит от полярности разделяемых соединений и от их способности образовывать водородные связи. Для разделения полярных сорбатов необходимы полярные неподвижные фазы, неполярных - неполярные. Понятие полярности объединяет свойства, обуславливающие селективность за счет физического взаимодействия молекул с функциональными группами. Учитывается сумма неразрывно связанных взаимодействий, например, взаимная ориентация диполей, индуктивные и дисперсионные силы, образование водородных мостиков. В газо-жидкостной хроматографии разница в удерживании определяется и неспецифическими, и специфическими взаимодействиями. Неполярные соединения обычно разделяются в соответствии с температурами их кипения. В случае неполярной неподвижной фазы полярные соединения удерживаются существенно меньше, чем неполярные, кипящие при той же температуре. Удерживание полярных соединений увеличивается по мере роста полярности неподвижной фазы, и, наоборот, время удерживания соединений возрастает с уменьшением полярности неподвижной фазы. Применение для решения экологических задач. Метод применяется для определения широкого круга соединений в атмосферном воздухе и воздухе жилых и производственных помещений, различных водах и почве. Наиболее важными классами определяемых соединений являются нефтепродукты, диоксины, полихлоринованные бифенилы, амины, хлорированные углеводороды, металлорганические соединения, полициклические ароматические углеводороды и пестициды. Высокоэффективная жидкостная хроматография Жидкостная хроматография (ЖХ) - метод разделения и анализа сложных смесей веществ, в котором подвижной фазой является жидкость. Подвижная фаза в жидкостной хроматографии выполняет двоякую функцию: 1) обеспечивает перенос десорбированных молекул по колонке (подобно подвижной фазе в газовой хроматографии); 2) регулирует константы равновесия, а, следовательно, и удерживание в результате взаимодействия с неподвижной фазой (сорбируясь на поверхности) и с молекулами разделяемых веществ. В ЖХ природа подвижной фазы имеет существенно большее значение. В результате комбинации ограниченного числа сорбентов и неограниченного числа, различных по составу, подвижных фаз возможно решение чрезвычайно большого числа встречающихся на практике задач. Метод ЖХ применим для разделения значительно более широкого круга веществ, чем газовая хроматография, поскольку большая часть веществ не обладает летучестью, а многие вещества неустойчивы при высоких температурах. В ЖХ разделение обычно происходит при комнатной температуре. 32 ЖХ подразделяется на варианты в соответствии с характером основных проявляющихся межмолекулярных взаимодействий: - в ситовой хроматографии разделение компонентов осуществляется за счет разницы в растворимости молекул при их прохождении (фильтрации) через слой сорбента; - в адсорбционной хроматографии - за счет разницы в адсорбируемости молекул, проходящих через слой частиц сорбента, покрытых неподвижной фазой в виде тонкого слоя или поверхностнопривитых радикальных групп; - в ионообменной и ионной хроматографии - за счет разницы в способности к обмену ионами с ионообменниками; Обращенно-фазовая ВЭЖХ (ОФ ВЭЖХ) Обращенно-фазовый вариант ВЭЖХ (ОФ ВЭЖХ) имеет ряд преимуществ перед другими вариантами жидкостной хроматографии: - это очень гибкий метод, так как, изменяя состав водноорганических смесей, используемых в качестве подвижной фазы, можно на одной колонке обеспечить разделение соединений различной природы; - селективность данного метода почти всегда значительно выше, чем других вариантов хроматографии для всех соединений, кроме сильнополярных - при использовании гидрофобизированных силикагелей быстро устанавливается равновесие между подвижной и неподвижной фазой, эти сорбенты отличаются высокой эффективностью разделения; - можно осуществлять разделение соединений, растворимых как в воде, так и в органических растворителях; - возможность использования в подвижной фазе буферных растворов может улучшить селективность и эффективность разделения ионогенных соединений. В обращенно-фазовой хроматографии неподвижной фазой служат гирдофобизированные силикагели, которые получают при обработке силикагеля хлор- и алкоксисиланом. Широко в аналитической практике используют гидрофобизированные силикагели с привитыми октадецильными группами (Ci8) Плотность прививки составляет 1,1- 2,3 нм~2. В зависимости от способа обработки свойства гидрофобизированных силикагелей могут изменяться, поэтому свойства коммерческих колонок различных фирм несколько отличаются. Содержание углерода составляет 5-20%. Степень покрытия поверхности силикагеля органическим модификатором составляет 10-60%, в лучших случаях она достигает 90%. Наличие остаточных силанольных групп приводит к тому, что адсорбционный и ионообменный механизмы удерживания всегда сопутствуют обращенно-фазовому. Для уменьшения числа силанольных групп сорбенты дополнительно обрабатывают триметилхлорсиланом (это называют эндкеппингом). В табл. 12 представлены типичные обращенно33 фазовые сорбенты. Наиболее популярными являются силикагели следующих торговых марок: бондопак, лихросорб, порасил, сепарон, сферисорб, нуклеосил, кромасил. Недостатками обращенно-фазовых сорбентов на основе силикагеля являются ограниченно допустимый диапазон рН и сорбционная активность силанольных групп. Этого недостатка в значительной степени лишены колонки нового поколения фирмы «Феноминекс», ее колонка Луна Ci8 обладает стабильностью в диапазоне значений рН 1,5-10. Механизм разделения соединений в этом варианте хроматографии пока до конца неясен. Наиболее удачными и распространенными являются теория, использующая представления о параметрах растворимости Гильдебранта, и сольвофобная теория Хорвата-Меландера. По теории, основанной на параметрах растворимости Гильдебранта, удерживание определяется молекулярными взаимодействиями разделяемых веществ с подвижной и неподвижной фазой. Однако поведение соединений сложного строения с несколькими функциональными группами часто не удается описать данной зависимостью. Более адекватно закономерности удерживания сорбатов в ОФ ВЭЖХ описываются сольвофобной теорией. Хорвартом и Миландером впервые было показано, что водные элюенты, не содержащие органических растворителей, могли быть использованы для разделения полярных биологических молекул на октадецилсиликагеле. Даже при отсутствии органического компонента в элюенте, взаимодействие между растворенным веществом и привитыми углеводородными радикалами неподвижной фазы, являлось причиной удерживания растворенного вещества. Что позволило сделать вывод о том, что удерживание в обращено-фазовом варианте в основном определяется гидрофобными взаимодействиями. Важнейшую роль в понимании механизма удерживания обращеннофазовой хроматографии сыграли работы Хорвата и его школы. Суть теории Хорвата заключается в следующем. Существует принципиальное различие между процессами сорбции на полярных поверхностях из относительно неполярных растворителей («нормально-фазовый режим») и сорбции из воды либо сильнополярных растворителей на неполярных поверхностях («обращенно-фазовый режим»). В первом случае, между молекулами сорбатов и неподвижных фаз образуются ассоциаты за счет кулоновских взаимодействий или водородных связей. Во втором случае, причиной ассоциации на поверхности являются так называемые сольвофобные взаимодействия в подвижной фазе. Для полярных подвижных фаз, в особенности содержащих воду, характерно сильное кулоновское взаимодействие и образование водородных связей между молекулами растворителей. Все молекулы в таких растворителях связаны довольно прочно межмолекулярными силами. Для того чтобы поместить в эту среду молекулу сорбата, необходимо образование «полости» между 34 молекулами растворителя. Энергетические затраты на образование такой «полости» лишь частично покрываются за счет взаимодействия полярных групп в молекуле сорбата с полярными молекулами растворителя. В аналогичном положении по отношению к растворителю находятся и неполярные молекулы неподвижной фазы. С энергетической точки зрения более выгодно такое положение, когда поверхность раздела между полярной средой (растворителем) и неполярными фрагментами неподвижной фазы и молекул сорбата минимальна. Уменьшение этой поверхности и достигается при сорбции. Обращенно-фазовая хроматография широко применяется не только для разделения нейтральных соединений, но и ионогенных веществ. В принципе, и для таких соединений процесс сорбции описывается сольвофобной теорией. Однако сорбаты такого рода существуют в растворе и адсорбированном состоянии, как в виде нейтральных молекул, так и в виде ионов. Каждой из этих форм соответствует свое значение фактора удерживания. В зависимости от рН среды изменяются соотношение различных форм в растворе и факторы удерживания. В качестве подвижной фазы обычно используют смеси растворителей, т.к. это позволяет улучшить селективность и эффективность разделения и уменьшить время необходимое для его проведения. Меняя состав подвижной фазы в ОФЖХ, можно изменять удерживание в очень широких пределах. Почти для всех анализируемых соединений удерживание в некоторых чистых растворителях (метанол, тетрагидрофуран) пренебрежимо мало, а в чистой воде чрезвычайно велико. Поэтому, чтобы добиться приемлемого времени удерживания, обычно необходимо использовать смеси воды с органическим растворителем - так называемым модификатором. При постоянных условиях хроматографирования удерживание различных сорбатов определяется следующими факторами: - гидрофобностью сорбатов; - дипольным моментом; - объемом их молекул; - поляризуемостью; - уменьшением площади неполярной поверхности при сорбции. При описании взаимосвязи удерживания и свойств сорбатов наиболее популярны уравнения, связывающие факторы удерживания, измеряемые в хроматографической системе, с коэффициентами распределения (чаще всего в системе октанол - вода). Для решения каждой конкретной задачи состав как подвижной, так и неподвижной фазы должен быть тщательно подобран с точки зрения как физических, так и химических свойств ее компонентов. 35 Система для проведения разделения методом ВЭЖХ состоит из нескольких блоков: насоса, дозатора, колонки, детектора и регистрирующего устройства. Использование обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии для решения экологических задач Определение загрязнений воды и почвы. Высокоэффективная жидкостная хроматография активно используется для определения различных экотоксикантов в водах и почвах. Наиболее значимые задачи, решаемые ВЭЖХ в анализе вод и почвы - определение фенольных соединений, ПАУ и пестицидов. Так как ПДК этих экотоксикантов в водах и почвах очень низки, их определение обычно проводят после предварительного концентрирования или выделения. Для этого можно использовать жидкостную экстракцию, но более удобным и эффективным методом является сорбция или твердофазная экстракция. Определение фенолов в сточных и природных водах. Весьма распространенными экотоксикантами являются фенол и его хлорпроизводные и нитропроизводные, гваякол, крезолы. Эти соединения образуются в процессе производственной деятельности человека, в частности, в целлюлозно-бумажном производстве. Возникает необходимость их определения в различных типах вод: природных, водопроводной, производственных и сточных. Состав вод весьма сложен и может включать большое число фенольных соединений, которые образуются как на стадии загрязнения, так и в процессе очистки вод. Наиболее вероятными компонентами сточных вод являются фенол, гваякол, о-, м- и п-крезолы, моно-, ди-,три- и пентахлорфенолы, моно- и динитрофенолы. Для разделения и одновременного определения летучих и малолетучих фенолов весьма удачным является использование высокоэффективной жидкостной хроматографии на гидрофобизированном силикагеле. Эффективность и селективность разделения фенолов определяется составом подвижной фазы. Наиболее часто для разделения фенолов в ВЭЖХ используют смеси ацетонитрила или метанола с буферными растворами (ацетатными или фосфатными), успешное разделение фенолов различного состава может быть достигнуто, если в качестве водного компонента подвижной фазы используется вода, подкисленная уксусной, хлоруксусной или фосфорной кислотой. Время удерживания фенолов определяется их гидрофобностью и увеличивается с ее ростом. Для наиболее значимых фенолов, загрязнителей окружающей среды, удерживание растет в ряду: катехол < фенол < 4-нитрофенол < гваякол < п-крезол < 2,4-нитрофенол < 2-нитрофенол < 2-хлорфенол < 4хлорфенол < 3-хлорфенол < 2,4-диметилфенол < 4-хлор-З-метилфенол < 2,4-дихлорфенол < 2,4,6- трихлорфенол < пентахлорфенол и зависит от состава подвижной фазы. Чем больше в ней содержание ацетонитрила или метанола, тем меньше удерживание. Для разделения столь сложной смеси фенольных соединений не удается подобрать подвижной фазы 36 определенного состава. Необходимо либо использование градиентного элюирования, либо разные фенолы делят с использованием различных подвижных фаз. Низкие ПДК фенольных соединений в водах требуют чувствительных методов детектирования или предварительного концентрирования. Достаточно успешным является детектирование фенолов с использование ДДМ, предел обнаружения фенола при длине волны 260 нм в этом случае достигает 1 мг/л. Еще большей чувствительностью и селективностью к фенолу и его производным обладает амперометрический детектор. Его использование позволяет определять фенолы на уровне ПДК даже в природных водах. В природных водах ПДК для фенола составляет 0,001 мг/л, п-хлорфенола - 0,002 мг/л, 2,4-дихлорфенола - 0,004 мг/мл, 2,4,6 - трихлорфенола - 0,006 мг/л и пентахлорфенола — 0,01 мг/л. Амперометрическое детектирование основано на окислении фенолов на поверхности твердого электрода, в качестве которого обычно используют стеклоуглеродный электрод. Установлено, что максимальный сигнал регистрируется при потенциале стеклоуглеродного электрода - +1300 мВ относительно стального или +1100 мВ относительно хлоридсеребрянного электродов сравнения. Важным является использование в качестве компонента подвижной фазы фосфорной кислоты, в этом случае минимальны флуктуации базовой линии сигнала амперометрического детектора, что позволяет уменьшить величину минимальной определяемой концентрации, которая соответствует сигналу, равному удвоенной "ширине" базовой линии. В табл. 14. приведены примеры определения фенола в водах в различных условиях, на рис. 17 показана хроматограмма смеси, а на рис. 18-20 определение фенолов в водопроводной и сточной воде. Определение пестицидов. В современном сельском хозяйстве широко применяются химические соединения, используемые для борьбы с вредными организмами, грибами, сорняками, так называемые пестициды. Наряду с несомненной пользой крупномасштабное производство и бесконтрольное применение пестицидов привело к существенному обострению экологической обстановки. Так как пестициды попадают в организм людей, не имеющих профессионального контакта с ядохимикатами, главным образом, с пищей и водой необходима постоянно действующая система анализа качества сельскохозяйственной продукции, продуктов питания и воды. При этом наибольший интерес представляют методы анализа, которые можно было бы использовать не только в научных исследованиях, но и при широкомасштабном серийном аналитическом контроле. Учитывая высокую токсичность пестицидов, для мониторинга необходимы специфические и очень чувствительные аналитические методы, позволяющие определять остатки пестицидов и их метаболитов на следовом уровне. 37 Хроматографические методы анализа обладают более высокой чувствительностью и позволяют различать родственные соединения и их метаболиты или продукты гидролиза. В последнее время для определения и разделения пестицидов все чаще используется ВЭЖХ. Метод наиболее удобен при анализе малолетучих или термически нестабильных пестицидов, которые не могут быть проанализированы с помощью газовой хроматографии. Наиболее успешно ВЭЖХ используется для определения карбаматов, мочевин, гербицидов на основе феноксиуксусных кислот, триазинов и их метаболитов, бензимидозолов и некоторых других соединений. Одними из наиболее популярных гербицидов являются триазины, большинство из которых являются производными s-триазина шестичленного гетероцикла с симметрично расположенными атомами азота. Заместители располагаются в положении 2,4 и 6. Наиболее известными являются три триазина: пропазин, атразин и симазин, два последних включены в список приоритетных загрязнителей для стран ЕС. Максимально допустимая концентрация триазинов в питьевой воде установлена на уровне 100 нг/л. При анализе вод триазины обычно предварительно концентрируют, а затем разделяют ОФ ВЭЖХ. Неподвижной фазой служат гидрофобизированные силикагели, подвижной фазой — смеси ацетонитрила с водой или буферными растворами Детектируют триазины с помощью детектора с диодной матрицей, УФ-, амперометрического и масс-спектрометрического детекторов. Еще одной группой пестицидов, для которых использование ВЭЖХ более перспективно, чем капиллярная газовая хроматография, являются производные фенилмочевины. Наиболее известными из них являются линурон, монолинурон, пиразон, и сульфонилмочевины (хлорсульфурон, тифенсульфурон, римсульфурон, метилсульфурон и др.). ВЭЖХ широко применяется и для разделения и определения карбаматов. Особое внимание обращают на определение карбарила, профарма, метиокарба. Условия разделения фенилмочевин, сульфонилмочевин и карбаматов близки к условиям разделения триазинов. Круг используемых детекторов включает: детектор с диодной матрицей, УФ-, флуориметрический и масс-спектрометрический детекторы. Достаточно широко используют амперометричекий детектор. Этот детектор дает выигрыш в чувствительности по сравнению с УФ при определении производных карбамата и мочевины (алдикарба, карбарила, хлорпрофарма, диметоата, метиокарба) примерно в 10 раз. Некоторые примеры разделения сульфонилмочевин, фенилмочевин и карбаматов показаны в табл. 15 и на рис. 21. Селективные гербициды - призводные феноксиуксусной кислоты (2,4-Д, дикамба, бентазон, трихлорпир и др), также предпочтительнее 38 определять ВЭЖХ. Неподвижной фазой служат гидрофобные силикагели, подвижной фазой - смеси ацетонитрила или метанола с буферными растворами или водой с добавкой кислот. Выбор рН подвижной фазы особенно важен при анализе соединений кислотного характера, его значение выбирают ниже, чем рКа разделяемых соединений. Для повышения селективности разделения можно использовать также ионпарный вариант обращенно-фазовой ВЭЖХ. Разделение хлорорганических пестицидов с помощью ВЭЖХ еще только изучается. Отчасти это, по-видимому, объясняется отсутствием общедоступных селективных методов обнаружения после разделения их посредством обращенно-фазовой хроматографии. Предел обнаружения хлорорганических пестицидов (типа ДДТ) и эфиров феноксикарбоновых кислот по поглощению при 254 нм составляет 1-15 и 15 мкг соответственно. Как метод анализа остатков фосфорорганических пестицидов ВЭЖХ не получила должного распространения. Эти соединения обнаруживают по поглощению при 254 нм, по ингибированию холинэстеразы и полярографически. Показана применимость в ВЭЖХ фосфорчувствительных детекторов для селективного обнаружения фосфорорганических соединений. Одним из важных вопросов, определяющим чувствительность определения пестицидов является способ детектирования. Для большинства исследований характерно использование спектрофотометрического способа, но его использование ограничено рядом факторов: не все соединения хорошо поглощают, разные соединения имеют разные спектры поглощения. Поэтому очень трудно подобрать соответствующую длину волны. В объектах окружающей среды могут быть другие соединения, в присутствии которых определение пестицидов будет затруднено. В последнее время широко исследуются возможности электрохимического детектирования (ЭХД) в жидкостной хроматографии. Пытаясь повысить чувствительность определения хлорорганических пестицидов с помощью ВЭЖХ, Долан и Зибер сконструировали усовершенствованный вариант электролитического кондуктометрического детектора Коулсона (ЭКДК). Для этого детектора характерна высокая селективность определения хлорорганических соединений, его линейный диапазон соответствует изменению величины концентрации в пределах пяти порядков, а нижний предел обнаружения линдана составляет 5-50 нг. Применимость ЭКДК в аналитической системе была продемонстрирована на примере анализа необработанных экстрактов листьев салата и речной воды, содержащих альдрин и диэльдрин в концентрациях менее 10~ 4%. Использование в данном случае УФ-детектора с длиной волны 254 или 220 нм не позволяет определить альдрин и диэльдрин. 39 Достигаемые с помощью вольтамперометрических детекторов пределы обнаружения, относительная простота устройства и приемлемая стоимость делают этот метод вполне пригодным для анализа следовых количеств органических веществ. При использовании ЭХД, работающего в режиме восстановления, одной из существенных проблем является восстановление растворенного в элюенте кислорода, пик которого может мешать определению анализируемого вещества. Есть различные пути удаления растворенного кислорода, однако при столь низких определяемых концентрациях пестицидов не всегда удается избавиться от его следовых количеств. В связи с этим, если имеется возможность, определение пестицидов проводится в анодной области потенциалов. В сочетании с методом ВЭЖХ наиболее часто применяется амперометрическое детектирование, при котором потенциал рабочего электрода поддерживается постоянным и возникающий при окислении или восстановлении электроактивных молекул ток измеряется как функция времени. Амперометрический детектор позволяет определять с высокой чувствительностью широкий круг пестицидов: тирам, триазины (симазин, атразин, цианазин, пропазин и анилазин), карбаматные пестициды (барбан, байгон, беномил, хлорпрофам, ландрин, мезурол, профам, севин, аминокарб, карбендазим, десмедифам), фенилмочевинные пестициды (метобромурона и линурона). Эти соединения с помощью амперометрического детектора определяют в водах, в большинстве случаев пределы обнаружения ниже, чем со спектрофотометрическим детектором. Например, предел обнаружения для аминокарба и карбендазима меньше 1 мкг/л, десмедифама и дихлорана меньше 5 мкг/л, метамитрона 10 нг/л, хлортолурона и изопротурона 20 нг/л. Определение полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Весьма часто для определения ПАУ в водах и почвах используют жидкостную хроматографию. При необходимости одновременного определения средне и малолетучих ароматических углеводородов обычно выбирают обращенно-фазовую высокоэффективную жидкостную хроматографию. Вследствие уникальных свойств и широкой доступности октадецилсиликагелевых (ОДС) обращенных фаз большинство исследований ПАУ выполнено на этих фазах. С уменьшением длины цепи, привитого углеводородного радикала, значения коэффициента емкости быстро снижаются, что существенно усложняет анализ многокомпонентных смесей ПАУ. Так, в идентичных условиях (состав подвижной фазы, расход элюента, температура, размеры колонки) время удерживания ПАУ на колонке с Нуклеосилом Ci8 примерно вдвое больше, чем на Нуклеосиле Cg. Считают, что молекулы ПАУ удерживаются на неполярной поверхности алкилсиликагеля за счет ван-дер-ваальсовых сил, причем прочность связи растет с увеличением длины боковой цепи. 40 Сорбенты с привитыми полярными группами также используются для разделения ПАУ. Радикалы алкил(арил)алканов, используемых для модификации поверхности сорбентов, содержат одну или несколько полярных групп (-NH2,-NO2,- ОН, -CN и др.). Механизм удерживания ПАУ на сорбентах с привитыми полярными группами довольно сложен. Учитывается взаимодействие между п - электронной системой компонентов пробы и различными структурами полярной поверхности. Незамещенные ПАУ элюируются в порядке возрастания молекулярной массы. На полярной фазе, содержащей аминогруппы, удерживание ПАУ растет с увеличением количества ароматических ядер в молекуле. В отличие от колонок с гидрофобными силикагелями, на полярных фазах присутствие алкильных групп в молекулах ПАУ незначительно влияет на порядок удерживания, что позволяет использовать указанные фазы для предварительного фракционирования при анализе сложных смесей ПАУ. На практике чаще разделение ПАУ проводят на гидрофобных силикагелях, поскольку выше селективность разделения, лучше воспроизводимость результатов, а также наблюдается более длительный срок службы хроматографических колонок. В варианте обращенно-фазовой хроматографии для разделения ПАУ чаще всего в качестве элюентов используют водно-спиртовые смеси (водаметанол) и водно-ацетонитрильные смеси. Относительные времена удерживания для индивидуальных ПАУ сильно отличаются, поэтому чаще используют градиентный режим элюирования. Существует множество вариантов детектирования ПАУ: амперометрическое, флуоресцентное, ультрафиолетовое. Наиболее часто используется флуоресцентное детектирование ПАУ. ВЭЖХ в сочетании с флуоресцентным детектором является селективным и чувствительным методом определения ПАУ в природных образцах. Спектрофотометрический детектор в УФ и видимой области на диодной матрице полезен для количественного и качественного анализа ПАУ в почвенных образцах в нанограммном диапазоне, в то время как флуоресцентный детектор рекомендован для анализа ПАУ в водных образцах в пикограммной области. Наивысшая чувствительность флуоресцентного детектора может быть получена только при оптимальных длинах волн возбуждения и флуоресценции индивидуальных ПАУ. Это возможно только при программировании этих длин волн во времени. После оптимизации всех индивидуальных параметров минимальный предел детектирования отдельных ПАУ в питьевой воде достигает уровня 0,5 пикограмм. Широко распространенные методики ЕРА рекомендуют определять нафталин, аценафтилен, аценафтен и флуорен при помощи ультрафиолетового детектора и использовать флуоресцентный детектор для определения всех остальных ПАУ. 41 Лекция № 8. Экологическая оценка и нормирование природных объектов. 1. ГОСТы, ПДК, ДОК. 2. Кларки, региональные кларки, фоновое содержание. 3. Интегральные показатели (ИЗВ, ИЗА, Сф, Кк, Кс, Ко). Показатели загрязнения атмосферного воздуха. Они могут быть подразделены на поингредиентные (частные) и интегральные (комплексные). Поингредиентные показатели включают: абсолютные значения концентраций поллютантов в мг/м3, значения, нормированные на ПДК (ПДКмр или ПДКсс), показатели повторяемости превышений ПДК в процентах. В справочной литературе (Ежегодники состояния загрязнения атмосферы городов России) используются следующие поингредиентные характеристики: ♦ qc — средняя концентрация примеси в воздухе; ♦ q — наибольшая наблюдавшаяся концентрация примеси в воздухе; ♦ g — повторяемость разовых концентраций выше ПДК; ♦ g1 — повторяемость разовых концентраций выше 5 ПДК; ♦ g2 — повторяемость разовых концентраций выше 10 ПДК. Основным, наиболее употребительным, интегральным показателем является индекс загрязнения атмосферы (ИЗА): EGA = (Σ gchi /ПДКcсi)Ki где gchi — среднегодовая концентрация i-гo вещества; ПДКcсi — среднесуточная предельно допустимая концентрация i-гo вещества; Ц — безразмерная константа (показатель степени), позволяющая учесть различия в степени опасности отдельных веществ, и принимающая значения: 1,7 для веществ 1-го класса опасности; 1,3 для веществ 2-го класса опасности; 1,0 для веществ 3-го класса опасности; 0,9 для веществ 4-го класса опасности. ПРИМЕР На основе сопоставления многолетних данных о загрязнении атмосферного воздуха по данным стационарных постов (37 пунктов в 8 городах России и Украины) и о загрязнении почв в ближайших пунктах, опробованных при эколого-геохимических съемках, было получено уравнение, связывающее значения суммарного показателя загрязнения почв Zc и индексы загрязнения атмосферы (учитывающие оксиды азота, серы, углерода и пыль): ИЗА = 3,466Zc0,123 (r = 0,556). Показатели экологического состояния водоемов Экологическое состояние водоемов складывается в результате взаимодействия факторов самоочищения и техногенной нагрузки и 42 определяется, главным образом, путем стационарных и экспедиционных исследований. Показатели экологического состояния водоемов включают значительное число гидрохимических и гидробиологических характеристик. Для водоемов, используемых в хозяйственно-питьевых и рекреационных целях, установлено 11 основных показателей состава и свойств воды (содержание взвешенных веществ, плавающие примеси, запахи и привкусы, окраска, температура, рН, минерализация, растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода, содержание бактерий, содержание токсичных веществ), в том числе ПДК для 420 веществ. Для водоемов, используемых в рыбохозяйственных целях, установлено девять основных показателей состава и свойств воды (содержание взвешенных веществ, плавающие примеси, запахи и привкусы, окраска, температура, рН, растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода, содержание токсичных веществ), в том числе ПДК для 72 веществ. В биоэкологических исследованиях используются характеристики видового разнообразия, наличия и доли индикаторных видов. Роль индикаторных организмов могут выполнять виды, наиболее чувствительные к загрязнению и (чаще) малочувствительные к нему — сапробионты. Для оценки состояния водоемов употребляйся индекс сапробности, по Пантле и Буку в модификации Сладечека. Имеется ряд классификаций вод по сочетанию большого числа физических, гидрохимических, биологических характеристик (классификация СЭВ, классификация Жукинского, классификация СанПиН 4630-88). Возможности использования сложных классификаций для картографических целей незначительны по причине дороговизны и трудоемкости соответствующих исследований и, как следствие, малого числа пунктов определения. Показатели загрязнения вод . В качестве такого показателя чаще всего используется индекс загрязненности воды (ИЗВ): ИЗВ =1/3Σ(Сi /ПДК i где С — концентрация каждого из 6 учитываемых ингредиентов (кислород, БПК5, 4 вещества с наибольшими превышениями ПДК); ПДКi — предельно допустимый показатель по соответствующему веществу. Задачи изучения загрязнения почв ♦ Интерпретация результатов проводится путем сравнения данных анализов с фоновыми концентрациями тех же элементов в аналогичных почвах и почво-грунтах ландшафтов-аналогов, расположенных заведомо вне зон техногенного воздействия. При этом определяют поэлементные показатели концентрации Кс и суммарные показатели концентрации Zс, по формулам: 43 Кс = Сi/ Сф где Сi — концентрация элемента в i-ой пробе; Сф— соответствующая фоновая концентрация. Zс = Σ Кс - (п - 1), где п — число элементов. Суммарный показатель загрязнения Zc относится к числу важнейших и наиболее информативных параметров экологической обстановки. Шкала значений Zc, включающая четыре градации (табл. 1), вошла во многие нормативные документы по оценке экологической обстановки, в том числе в Критерии для выявления зон чрезвычайных экологических ситуаций и экологического бедствия. В районах с опасным и чрезвычайно опасным уровнями загрязнения должны осуществляться комплексы специальных мероприятий по реабилитации территорий и оздоровлению населения. Таблица 1 Оценочная шкала опасности загрязнения почв Уровни загрязне- Значения Изменения показателей состояния здоровья (%) ния почв Zс Реакции организма Детское Взрослое население население Допустимый Умеренно опасный Опасный до 16 16-32 32-128 Уровень заболеваемости фоновый Функционально+ 10-30 морфологические отклонения Суммарная + 10-20 заболеваемость Заболевания органов + 10-50 дыхания Сердечнососудистые заболевания Патологии беременности и родов Онкологические заболевания Временные утраты трудоспособности Функционально+30-100 морфологические отклонения Суммарная +20-60 заболеваемость Заболевания органов +50-100 44 фон фон фон фон дыхания Сердечно+50 сосудистые заболевания Патологии +20-30 беременности и родов Онкологические фон заболевания Временные утраты фон трудоспособности Чрезвычайно более 128 Функционально+ 100 опасный морфологические отклонения Суммарная +30-100 заболеваемость Заболевания органов + 100-300 дыхания Сердечнодо сосудистые забо300-400 левания Патологии до +100 беременности и родов Онкологические до +100 заболевания Временные утраты до +100 трудоспособности Поскольку основным источником загрязнения поверхностного слоя почв являются атмосферные выпадения, по величине Zс можно оценивать общий уровень загрязнения воздуха (см. выше). Среднегодовое содержание отдельных металлов в атмосферном воздухе (у, в мкг/м3) может быть оценено по их содержанию в почвах (х, в мг/кг) с использованием эмпирических зависимостей. Так, для свинца: у = (х-165) / 840 Изучение загрязнения почв позволяет выявить последствия техногенных воздействий за весь период хозяйственного освоения территории. В одних случаях это является достоинством метода, в других — недостатком, прежде всего вследствие сложности определения продолжительности этого периода. Особенности изучения загрязнения снежного покрова Изучение загрязняющих веществ, содержащихся в снеге, позволяет охарактеризовать атмосферные выпадения за конкретный сезон. Отбор 45 снеговых проб целесообразно проводить в конце зимы, чтобы охарактеризовать по возможности более длительный период, но до начала снеготаяния, чтобы избежать выщелачивания растворимых компонентов. Пробы снега отбирают из шурфов; в состав пробы включается весь извлеченный снег, на всю мощность снежного покрова. Для достоверности результатов важно исключить попадание в пробу частиц подстилающего грунта, мусора и т.п. Поэтому места отбора выбираются вне дорог, троп и других мест, где вероятно попадание механических примесей. При отборе необходимо фиксировать дату и площадь шурфа. Для получения характеристик интенсивности атмосферных выпадений важно определить абсолютное содержание твердых и растворимых примесей в пробе. Поэтому при обработке проб анализируется весь объем полученной воды и твердого нерастворимого материала. По известной массе твердых (пылевых) частиц определяют величину пылевой нагрузки Рп (в мг/м2 в сут.) по формуле: Рп = Р0 / (S· t) где Р0 — масса пыли в пробе (мг); S — площадь шурфа (м2); t — время от установления устойчивого снежного покрова (сут.). Аналогичным образом по массе растворенных веществ в пробе определяют интенсивность их выпадения. Интерпретацию результатов анализа снеговых проб проводят аналогично с почвенными пробами, путем сравнения с фоновыми показателями, с определением поэлементных показателей Кс и суммарных Zc. Размах колебаний результатов при снеговой съемке значительно выше, чем при почвенной. Поэтому оценочная шкала для снега имеет иные градации: ♦ допустимому уровню загрязнения соответствуют значения Zc до 64; ♦ умеренно опасному — от 64 до 128; ♦ опасному — от 128 до 256; ♦ чрезвычайно опасному — более 256. Особенности изучения загрязнения донных отложений Состав донных отложений отражает геологическое строение, рельеф и экологическое состояние водосборного бассейна. В формировании загрязнения донных отложений велика перераспределяющая роль водного потока. Загрязняющие вещества неодинаково концентрируются в отложениях разного гранулометрического состава. Поэтому при опробовании донных отложений необходимо учитывать фациальные особенности. Для объективной характеристики водотоков и водоемов рекомендуется отбирать осредненные пробы, состоящие из нескольких частных проб. На небольших и неглубоких водотоках, русло которых слагается однородным материалом, отбирают осредненные по поперечному профилю пробы. На крупных водоемах и водотоках пробы 46 отбирают вблизи уреза воды, в местах видимой аккумуляции наносов. При наличии илистых отложений отбирают вертикальные колонки илов, по возможности на всю мощность. При значительных мощностях илов может проводиться изучение их вертикального разреза. Загрязнение донных отложений оценивается путем сравнения с природным фоном, с определением Кс и Zс аналогично оценке загрязнения почв и снега. Важнейшее условие объективности оценок — однотипность фациального состава сравниваемых отложений. Лабораторные работы Лабораторная работа № 1. Определение зольности листьев, хвои, почек и коры древесных растений как индикационного признака загрязнения воздушной среды тяжелыми металлами Цель работы: Оборудование, реактивы, материалы: аналитические или точные технохимические весы; разновесы; муфельная печь; тигельные щипцы; электроплитка с закрытой спиралью; фарфоровые тигли или выпаривательные чашки; препаровальные иглы; эксикаторы; спирт или денатурат; дистиллированная вода; хлористый кальций; соляная кислота (водный раствор 1:1). Ход работы: Листья, хвоя или кора древесных растений биоиндикаторов собирают за 7-10 дней до занятия в различных частях города с целью охватить различные экологические условия, высушивают до воздушно-сухого состояния, измельчают и высушивают до абсолютносухого веса в термостате при температуре 100-105 oС. Образцы коры и листьев (по 5-10 г) взвешивают, измельчают и озоляют. После сжигания тигли с золой охлаждают и взвешивают, вычисляют процент золы с песком и кремниевой кислотой. Чтобы определить вес чистой золы в тигель, прибавляют 1 мл дистиллированной воды и 2 мл раствора соляной кислоты (1:1), перемешивают, выпаривают досуха на воздушной бане и подсушивают при температуре 120-130°С для обезвоживания кремниевой кислоты. К сухому остатку в тигле прибавляют 2 мл раствора соляной кислоты (1:1), 3 мл воды, перемешивают, нагревают и фильтруют горячим через беззольный фильтр средней плотности диаметром 7 см в коническую колбу на 100-200 мл или в стакан такой же емкости, промывая тигель и фильтр горячей водой (5 раз по 5 мл), давая каждый раз раствору полностью стечь. В конце процедуры один раз промывают капельным способом, направляя капли на края фильтра. Фильтр, на котором находится песок и кремниевая кислота, помещают в тот же тигель, высушивают, прокаливают, охлаждают и взвешивают. Разница между полученной массой и массой пустого тигля дает содержание 47 песка и кремниевой кислоты в навеске. Из полученных данных вычисляют содержание золы по формуле: Х=100(А-В) : N, где: X - содержание золы (в %); А - масса золы с песком и кремнекислотой (в г); В - масса кремниевой кислоты и песка; N - абсолютно сухая навеска (в г). Задание для самостоятельной работы студентов: 1. В соответствие с предложенной таблицей оформить результаты исследований. Пункт Масса, г % золы отбора пустого абсолютно тигля с золы кремниевой тигля сухой золой кислоты и навески с песка тиглем Центр 2. Письменно ответить на вопросы: Когда наблюдается особенно сильное накопление загрязняющих веществ древесными породами? Каким путем в древесных растениях происходит накопление тяжелых металлов или их растворимых солей? Лабораторная работа 2 Определение органического углерода в почвах Данные о содержании органического вещества в почве (гумуса) являются одним из главных показателей плодородия. Поскольку анализ структуры и содержания той или иной составной органической части образца практически невозможен из-за сложности процедуры, то представление об органическом веществе могут составить данные о валовом содержании углерода и азота. По результатам определения углерода в почве можно вычислить содержание гумуса в почве: искомое весовое процентное содержание гумуса находится умножением весового процентного содержания углерода на коэффициент, который равен 1,7-2. Самым несложным методом определения органического углерода является метод Тюрина, который состоит в разложении органического вещества бихроматом калия в кислой среде: 3C + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 = 3CO2 + 2Cr2(SO4)3 + 8H2O + 2K2SO4 . Оставшийся после реакции хромат оттитровывается солью Мора: K2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 7H2O + K2SO4. 48 Индикатором служит N-фенилантраниловая кислота. Определению мешают хлориды, которые надо учитывать или маскировать сульфатом серебра. На результаты анализа может, при определенных обстоятельствах, влиять наличие в пробах окиси марганца и солей двухзарядного железа. Ход определения 1. Навеску высушенной почвы поместить в плоскодонную термостойкую колбу, прилить 10 мл 0,4н раствора бихромата калия в серной кислоте (1:1). 2. Раствор нагреть до кипения и кипятить 5 минут. 3. Затем колбу остудить, обмыть ее стенки 10-20 мл дистиллированной воды, добавить 5 капель индикатора (0,2%) и 4. Титровать солью Мора (0,2н) до точки эквивалентности. 5. Содержание углерода в пробе рассчитать по следующей формуле: C% =(V1N1 - V2N2) *1200/ m, где V1, N1 - объем и нормальность соли Мора; V2, N2 - объем и нормальность соли бихромата калия; m - навеска почвы. Не составляет секрета, что процедура анализа методом Тюрина идентична процедуре определения бихроматной окисляемости. В связи с этим детали процедуры анализа можно заимствовать! О содержании гумуса в почве можно судить и по окраске анализируемого образца: Содержание гумуса 7 - 10 % 4-7% 2-4% 1-2% 0,5 - 1 % Цвет почвы черный темно-серый серый светло-серый почти белый Определение азота в почвах Азот, находящийся в почвах, является одним из элементов питания растений. Большая часть азота входит в состав органических соединений гумуса. Помимо этого, небольшая часть азота находится в составе минеральных солей: нитраты, нитриты, соли аммония. Молярным соотношением азота и углерода принято характеризовать обеспечение азотом гумуса. Например, обычно высокое и среднее содержание азота 49 характеризуется соотношением C/N = 8-10. Красноземы характеризуются отношением C/N = 18-20. Азот в почвах принято определять методом Кьельдаля. Метод состоит в кипячении образца почвы в концентрированной серной кислоте. Результатом кипячения является разложение органического вещества почвы до солей аммония, углекислого газа и сернистого ангидрида. После разложения, кислота нейтрализуется избытком щелочи. Образующийся в результате NH4OH нагревается для отгонки NH3. Собранный аммиак анализируется либо кислотно-основным титрованием, либо фотометрически с реактивом Неслера. По полученным данным делаются выводы о содержании азота в анализируемом образце почвы. Кипячение пробы с серной кислотой имеет свои специфические особенности. Пропорция кислоты и образца почвы может быть следующей: 10 мл кислоты на 1г почвы. Считается, что при температуре кипения чистой серной кислоты разложение происходит не полностью. Оптимальной температурой считается - 3650 С. Для повышения температуры кипения в кислоту добавляется сульфат калия таки образом, чтобы концентрация соли была равна 1 мг/мл. Нагрев смеси выше 4100 С приводит к потери части азота. Помимо сульфата калия в кислоту добавляют катализаторы разложения. Катализаторами служит либо Se, либо HgO, либо CuSO4. Кипячение образца почвы продолжается до 5-6 часов в колбе с обратным холодильником. После того, как процесс разложения закончен, проба разбавляется дистиллированной водой приблизительно в 50 раз. Затем в колбу с разбавленной пробой осторожно добавляется в избытке щелочь. Проба при этом не должна сильно разогреваться. После операции нейтрализации все готово для отгонки аммиака. Отгонка проводится нагреванием пробы с применением водяного стеклянного холодильника. Аммиак собирается либо разбавленной серной, либо борной кислотами. В первом случае остаток серной кислоты титруется щелочью, а во втором - сильной кислотой. Лабораторная работа 3 Метод определения легкогидролизуемого азота по Тюрину и Кононовой Метод характеризует потенциальную обеспеченность почв доступным для растений азотом и применяется при почвенном или почвенномелиоративном обследованиях. Метод анализа. 50 Метод определения легкогидролизуемого азота по Тюрину и Кононовой основан на обработке почвы на холоде 0,5 н раствором серной кислоты. При этом в вытяжку переходят минеральные соединения (NH3, NO3) и азотосодержащие органические вещества. Последующим нагреванием с концентрированной серной кислотой весь азот превращается в аммиачные соединения и связывается в виде сульфата аммония. Образовавшийся сульфат аммония разлагается до аммиака прибавлением избытка щелочи, аммиак отгоняется и определяется объемным методом. Оборудование, реактивы. Весы технические с точностью взвешивания до 0,01 г. Плиты электрические, обеспечивающие температуру накала 300°С Воронки стеклянные диаметром 4, 10 см, ГОСТ 25336-82.3.4. Колбы конические вместимостью 250 см3, ГОСТ 25336-82.3.5. Колбы плоскодонные термостойкие вместимостью 500 см3, ГОСТ 25336-82.3.6. Пипетки вместимостью 25, 50 см3, ГОСТ 20292-74.3.7. Стаканы химические вместимостью 50 см3, ГОСТ 25336-82 3.8. Холодильник шариковый "ХШ", ГОСТ 25336-82.3.9. Фильтры бумажные зольные диаметром 12.5 см, ТУ 6-09-1706-77.3.10. Борная кислота, хч, ГОСТ 9656-75.3.11. Железо металлическое восстановленное, ч. Ту 6-09-2227-72.3.12. Метиленовый голубой, индикатор, чда, ТУ 6-09-29-76.3.13. Метиловый красный, индикатор, чда, ГОСТ 5853-51.3.14. Натрий гидроокись, хч, ГОСТ 4328-77.3.15. Серная кислота концентрированная, хч, чда, ГОСТ 4204-77A3.16. Серная кислота 0,1 н (стандарт-титр), ТУ 6-09-2540-72.3.17. Хлорная кислота (42 %-ный раствор), чда, ТУ 6-09-2878-73.3.18. Цинковая пыль набор №2ВС, ТУ 6'-09-424б-80.3.19. Вода дистиллированная, ГОСТ 6709-72.4. Требование безопасности. При работе с концентрированными кислотами и щелочами необходимо соблюдать основные правила безопасной работы с едкими веществами. При отгоне аммиака необходимо соблюдать правила безопасной работы на установках для отгона жидкости. Помещение должно быть оснащено вытяжной установкой. При работе с электроплитами необходимо соблюдать правила безопасной работы с электрооборудованием. Требования к квалификации аналитиков. К самостоятельному выполнению анализа допускаются лица, имеющие специальное техническое или высшее образование. Условия выполнения анализа. Помещение, в котором проводится определение легкогидролизуемого азота, не должно содержать паров аммиака. 51 Подготовка к выполнению анализа. 1. Образцы почв, поступающие на анализ, должны быть предварительно доведены до воздушно-сухого состояния. 2. Из почвы отбирают корешки, измельчают и просеивают ее через сито с отверстиями, диаметром 1 мм. 3. Приготовление 2 н раствора серной кислоты. 56 см концентрированной серной кислоты (d=1.84) вливают в 400-500 см3 дистиллированной воды, после охлаждения доводят объем дистиллированной водой до 1000см3. 4. Приготовление 0.5 н раствора серной кислоты. 14 см концентрированной серной кислоты (d=1.84) доливают до 1000 см3 дистиллированной водой. 5. Приготовление 0.02 н раствора серной кислоты. 1 ампулу стандарт-титра 0.1 н H2S04 растворяют в 5000 см3 дистиллированной воды. 6. Приготовление 40 %-ного раствора натрий гидроокиси. 400 г твердой щелочи помещают в фарфоровую чашку или фарфоровый стакан и приливают 600 см3 дистиллированной воды при помешивании стеклянной палочкой. Раствор закрывают бумагой и оставляют стоять до следующего дня. Отстоявшийся раствор сливают в стеклянную посуду и хранят закрытым каучуковой пробкой. 7. Приготовление 4 %-ного раствора борной кислоты. 40 г НзВОз растворяют в 1000 см3 дистиллированной воды. 8. Приготовление индикатора метилового красного. 0.1 г метилового красного растворяют в 60 см этилового спирта, добавляют 40 см дистиллированной воды. 9. Приготовление смешанного индикатора Гроака. 0.4 %-ный спиртовой раствор метилового красного и 0.2 %-ный спиртовой раствор метиленового голубого смешивают в равных объемах, хранят в темной склянке с притертой крышкой. 10.Приготовление смеси цинковой пыли и восстановленного металлического железа. 9 г цинковой пыли и 1 г восстановленного металлического железа хорошо перемешивают и хранят в банке с притертой пробкой Выполнение анализа. 1. Все образцы почв, предназначенные для определения легкогидролизуемого азота, проверяются на вскипание от 10 %-ной, НСl, в карбонатных почвах определяется процент С02 карбонатов. 2. Пробу почвы массой 20 г, взвешенную с погрешностью не более 0.1 г помещают в коническую колбу вместимостью 250 см3. 3. Почвы некарбонатные и почвы, содержащие менее 2 % С02 карбонатов, заливают 100 см3 0.5 н Н3S04, встряхивают 3 минуты и оставляют стоять в течение 16-18 часов при комнатной температуре. 52 4. Почвы, содержащие более 2 % СС>2 карбонатов, заливают серной кислотой с избытком, чтобы хватило для полного разрушения карбонатов и для создания 0.5н концентрации H2S04. 5. Пробу помещают в колбу, предварительно протарированную на объем 100 см3 + 20 г почвы, и приливают 2 н раствор H2S04 из расчета 6.1 см3 на каждый процент С02. 6. После прекращения бурного выделения газа доливают раствор до метки 0.5 н раствором H2S04 и энергично взбалтывают 4-5 минут. 7. Повторяют взбалтывание в продолжении 1 -2 минут в течение последующих 6 часов 2-3 раза, после чего колбу закрывают пробкой и оставляют стоять 18-20 часов. 8. По истечении срока настаивания вытяжку отфильтровывают, отбирают пипеткой 25-50 см3 фильтрата в плоскодонную колбу из термостойкого стекла вместимостью 500 см3. Для восстановления, нитратов прибавляют 0.5 г смеси восстановленного железа и цинковой пыли, закрывают воронкой и нагревают на электроплитке до кипения и полного растворения смеси. 9. После охлаждения приливают 5 см концентрированной H2S04, 3 капли 42 %-ной НСlO4, продолжают сжигание до соломенно-желтого цвета жидкости. 10.Колба во время сжигания постоянно закрыта воронкой. 11.Колба, в которой проводилось сжигание, является отгонной. После охлаждения воронку и горло колбы тщательно обмывают дистиллированной водой, доводя общий объем жидкости до 250 см3. Если отгон аммиака в тот же день не проводится, колбу, закрытую пробкой, оставляют до следующего дня. Отгон аммиака. 1. К прибору для отгона азота подставляют приемник, в который наливают 20 см3 4 %-ного раствора борной кислоты и несколько капель смешанного индикатора Гроака. 2. Устанавливают приемную колбу под трубку холодильника так, чтобы конец ее был обязательно погружен в кислоту не менее 5 мм. В систему охлаждения пускают воду. 3. В отгонную колбу, чтобы обеспечить спокойное кипение, рекомендуется бросить несколько стеклянных капилляров или кусочек пемзы. 4. Для контроля щелочности прибавляют 3-4 капли фенолфталеина. Затем быстро и осторожно по стенке колбы вливают 20-25 см3 40 %ного едкого натрия или калия, стараясь не перемешивать жидкость, присоединяют колбу к прибору для отгона азота. 5. Перемешивают содержимое отгонной колбы, появление малиновой окраски от фенолфталеина свидетельствует о достаточном количестве щелочи, прибавленной в отгонную колбу. 53 6. Включают печь, нагревание регулируют так, чтобы кипение было спокойным. После закипания жидкости в отгонной колбе и появления зеленой окраски раствора в приемнике, приемную колбу ставят так, чтобы конец трубки холодильника не был погружен в жидкость. 7. Отгон аммиака ведут до тех пор, пока не перегонится примерно половина содержимого отгонной колбы. 8. Полноту отгона аммиака контролируют пробой с индикатором метиловым красным. Перед взятием пробы дистиллята на полноту отгона, трубку холодильника омывают снаружи (над приемником) дистиллированной водой. 9. В фарфоровую чашку или палетку берут каплю индикатора и каплю дистиллята. При полноте отгона от одной капли дистиллята цвет индикатора не изменится. 10.По окончании конец трубки холодильника вынимают из приемника, ополаскивают дистиллированной водой, собирая ее в приемник. Прекращают нагревание и включают воду в системе охлаждения. 11.Титруют весь объем дистиллята 0.02 н раствором H2S04 до изменения зеленой окраски в красно-фиолетовую. Чтобы избежать преувеличения показаний анализа за счет загрязнения химических реактивов солями аммония, проделывают холостой анализ, вместо вытяжки берется соответствующее количество 0.5 н H2S04. 12.На каждую партию производится 2-3 холостых анализа, и в качестве поправки берут среднее из них. Обработка результатов анализа. Количество легкогидролизуемого азота, содержащегося в почве, вычисляют по формуле: мг азота на 100 г почвы = (V1- V2)*0,28*100* V3/V*т где: V1 - объем 0.02 н H2S04, пошедший на титрование исследуемой пробы, см3; V2 - объем 0.02 н H2S04 пошедший на холостое определение, см3; V- общий объем фильтрата, см3; 0.28 - мг азота, соответствующие 1 см3 0.02 н H2S04; 100 - коэффициент перевода на 100 г почвы; V3 - объем фильтрата, взятого для определения, см3; т - масса пробы почвы, г. Контроль точности анализа. Применяется 15 % внутрилабораторный контроль, который осуществляется за счет введения в каждую партию стандартного образца и ранее проанализированных проб. Допустимые расхождения между результатами параллельных определений, между определенным содержанием в стандартном образце и паспортным значением этого образца не должны превышать ± 10 %. 54 Лабораторная работа 5 Сорбция тяжелых металлов в почвах. Цель: ознакомится с процессом сорбции ТМ в почвах, выявить зависимость поглощения от типа почв и от концентрации раствора. Оборудование: 1. Образцы почв: светло-каштановые, темно-каштановые, чернозем; по 100 гр. 2. Растворы нитрата цинка и сульфата меди в концентрациях 1 ммоль, 3 ммоль, 5 ммоль; 3. Весы технические; 4. Ротатор; 5. Колбы на 100 мл.; 18 шт.; 6. Колба мерная на 0,5 л.; 2 шт.; 7. Мерный цилиндр; 100 мл.; 8. Калька. Процессы поглощения газов или растворенных веществ твердыми материалами или жидкостями могут протекать по разным механизмам и носят общее название сорбции. Всего различают четыре основных сорбционных процесса: капиллярную конденсацию, хемосорбцию, абсорбцию и адсорбцию. Капиллярная конденсация представляет собой процесс сжижения пара в порах твердого сорбента. Это вторичный процесс, который происходит под действием не адсорбционных сил, а сил притяжения молекул пара в поверхности вогнутого мениска жидкости в порах. Хемосорбция – это процесс адсорбции, который протекает под действием сил основных валентностей, поэтому её относят к химической адсорбции. Абсорбция – процесс поглощения газа или пара всем объемом твердого вещества или жидкости. Этот процесс состоит в проникновении молекул газа в массу сорбента и заканчивается образованием твердого или жидкого раствора. Адсорбцией называют самопроизвольное концентрирование на твердой или жидкой поверхности раздела фаз вещества с меньшим поверхностным натяжением; изменение концентрации вещества на поверхности раздела двух фаз, обусловленное особыми свойствами поверхностного слоя. Ход работы. А. Зависимость сорбции от концентрации цинка и меди. 1. В шесть колб поместить по 5 гр. темно-каштановой почвы. 2. В первую колбу прилить 50 мл. 1 ммоль раствора нитрата цинка, во вторую – 50 мл. 3 ммоль раствора нитрата цинка, в третью – 50 мл. 5 ммоль раствора нитрата цинка. 3. В оставшиеся три колбы аналогично прилить растворы сульфата меди данных концентраций. 4. Колбы подписать в соответствии с концентрациями растворов. 55 5. Колбы поставить на ротатор и встряхивать в течение 30 мин. После этого дать отстояться 15 мин. и профильтровать. 6. Определить содержание цинка и меди фотоэлектроколориметрическим методом. 7. Рассчитать полученную концентрацию цинка и меди в растворах согласно формуле: 8. Рассчитать молярную концентрацию цинка и меди по формуле: СMr = C(N)/Mr(N), ммоль/дм3, где C(N) – концентрация цинка или меди, полученная по результатам анализа; Mr(N) – молярная масса цинка или меди. 9. Рассчитать поглощенную концентрацию по формуле: Спогл.(N) = Сисх.(N) - СMr(N), где Сисх.(N) - исходная концентрация цинка или меди, равная 1, 3, 5 ммоль; СMr(N) – молярная концентрация цинка или меди. 10.Построить график зависимости концентрации цинка и меди от поглощенной концентрации. 11.Сделать выводы. Б. Конкурентные взаимоотношения цинка и меди. 1. В три колбы поместить по 5 гр. темно-каштановой почвы. 2. В колбы прилить растворы согласно таблице 1. Таблица 1. Количество и концентрация цинк мед Номер колбы №2 25 мл., 3 ммоль 25 мл., 3 ммоль №1 25 мл., 1 ммоль 25 мл., 1 ммоль №3 25 мл., 5 ммоль 25 мл., 5 ммоль 3. Колбы поставить на ротатор и встряхивать в течение 30 мин. После этого дать отстояться 15 мин. и профильтровать. 4. Определить содержание цинка и меди фотоэлектроколориметрическим методом и рассчитать поглощенную концентрацию (см. А.). 5. Построить график зависимости концентрации цинка и меди от поглощенной концентрации. 6. Сделать выводы. В. Зависимость сорбции от типа почвы. 1. В 6 колб поместить по 5 гр. почвы разного типа и прилить по 50 мл. 3 ммоль раствора цинка или меди согласно таблице 2. 56 Таблица 2. Раствор цинка № колбы Тип почвы Светло1 каштановая Темно2 каштанова чернозем 3 Раствор меди № колбы Тип почвы Светло4 каштановая Темно5 каштанова чернозем 6 2. Колбы поставить на ротатор и встряхивать в течение 30 мин. После этого дать отстояться 15 мин. и профильтровать. 3. Определить содержание цинка и меди фотоэлектроколориметрическим методом и рассчитать поглощенную концентрацию (см. А.). 4. Построить график зависимости концентрации цинка и меди от типа почвы. 5. Сделать выводы. Лабораторная работа 6 Погрешности исследования и экологическая оценка. Цель: Задания для выполнения: 1. Письменно ответить на вопросы лабораторного занятия. 2. Решить задачу по расчету предельно допустимых сбросов Вопросы: 1. Дайте определение понятию погрешность, какие бывают виды погрешностей. 2. Случайные погрешности, их характеристика и источники. 3. Систематические погрешности, их характеристика и источники. 4. Экологическая оценка: методы её проведения (сравнение с кларками, расчет коэффициентов опасности, накопления и концентрации). 5. Нормативы и стандарты различных показателей природных объектов (ПДК, ДОК, ГОСТы). Задача: Завод плавленых сыров производительностью 60 тонн в смену работает в 1 смену. Рассчитать: 1. Среднегодовой расход свежей воды (питьевой и технической) в зимний и летний периоды года. 2. Среднегодовое количество выпускаемых в водоемы сточных вод зимой и летом. Суточные коэффициенты неравномерности водопотребления и водоотведения: Клетом = 2,5; Кзимой = 1,5. Сброс 57 сточных вод осуществляется в реку хозяйственно-питьевого водопользования. Фактическая концентрация взвешенных веществ Ср = 535 мг/л; органических веществ (БПК) Ср = 2150 мг/л. Фоновая концентрация Сф = 20,5 г/м3 по взвешенным веществам. Установить нормативы ПДС, сделать вывод. Количество производственных сточных вод зависит от вида предприятия, его производительности и от способа водопользования на данном предприятии (приложение). На промышленных предприятиях водоотведение осуществляется неравномерно вследствии неравномерной загрузки оборудования по сменам, а также залпового выпуска отработанной воды из резервуаров, ванн или машин, а также специфики технологических процессов. В связи с этим при расчете объема сточных вод необходимо учитывать коэффициент часовой неравномерности водоотведения. Расчет количества вод отводимых в канализацию на промышленных предприятиях, осуществляется по формуле: Q = q*M*K/T, где Q – количество производственных сточных вод, м3/ч; q – Норма водоотведения, м3/т; M – производительность предприятия по перерабатываемому сырью, т/см.; K – коэффициент часовой неравномерности водоотведения; T – количество часов работы в смену. Неравномерность водоотведения зависит как от времени суток, так и от периода года. суточный коэффициент неравномерности водоотведения при 2-х и 3-х сменной работе летом равен 2,5 – 3, зимой при односменной работе – 1,5. 1. Планы занятий в рамках самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя (СРСП) Задание к СРСП № 1 Тема: «Физико-химические методы анализа» Цель: изучить характеристики основных физико-химических методов анализа Форма контроля: беседа Задание: 1. Характеристика оптических методов анализа 2. Характеристика электрохимических методов анализа 3. Характеристика хроматографических методов анализа 58 Задание к СРСП № 2 Тема: «Пестициды и другие органические загрязнители в природных объектах» Цель: изучить литературу, ознакомится с особенностями определения пестицидов и органических загрязнителей Форма контроля: подборка материала, обсуждение Задание: 1. Классификация органических загрязнителей 2. Опасность органических загрязнителей для объектов ОС 3. Особенности анализа природных объектов, загрязненных пестицидами и другими органическими загрязнителями Задание к СРСП № 3 Тема: «Анализ природных и сточных вод» Цель: изучить литературу по данной теме, подготовиться к тестированию Форма контроля: тестирование Задание: 1. Особенности анализа сточных вод 2. Основные методы анализа вод Задание к СРСП № 4 Тема: «Методы обнаружения радиоактивных веществ» Цель: изучить литературу, ознакомится с понятиями радиоактивности, альфа-, бета-, гамма – спектрометрии Форма контроля: составление глоссария Задание: 1. Особенности обнаружения радиоактивных веществ 2. Альфа-, бета-, гамма – спектрометрия, принципы работы. Задание к СРСП № 5 Тема: «Методы определения свинца» Цель: изучить литературу, изучить основные методы обнаружения свинца Форма контроля: подготовка доклада Задание: 1. Краткая физико-химическая характеристика свинца. 2. Методы качественного обнаружения свинца. 3. Химические и физико-химические методы обнаружения свинца (люминесцентные, электрохимические, хроматографические и др.). 59 4. Основные физические методы определения свинца. Задание к СРСП № 6 Тема: «Определение токсикантов в пищевых продуктах» Цель: изучить литературу, написать конспект по теме, ознакомиться основными токсикантами пищевых продуктов Форма контроля: конспект, устный опрос Задание: 1. Приоритетные токсиканты пищевых продуктов 2. Опасность токсикантов пищевых продуктов для здоровья человека 3. Особенности анализа пищевых продуктов Задание к СРСП № 7 Тема: «Анализ снежного покрова» Цель: изучить литературу, составить схему по теме Форма контроля: составление схемы, устный опрос Задание: 1. Составить схему, отражающую основные операции и последовательность проведения анализа снежного покрова ПЛАНЫ ЗАНЯТИЙ В РАМКАХ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ (СРС) Задание к СРС № 1 Тема: «Классификации методов анализа природных объектов» Цель: изучить классификации и характеристики основных методов анализа природных объектов Форма контроля: составление блок-схемы, устный ответ Задание: 1. Классификация спектральных методов анализа природных объектов 2. Классификация хроматографических методов анализа природных объектов 3. Классификация электрохимических методов анализа природных объектов Задание к СРС № 2 Тема: «Приборы для измерения основных показателей природных объектов» 60 Цель: изучить литературу, ознакомится с классификацией приборов для исследования природной среды и их характеристиками Форма контроля: конспект, устный ответ Задание: 1. Приборы первого уровня, их техническая характеристика и принцип работы 2. Приборы второго уровня, их техническая характеристика и принцип работы 3. Приборы третьего уровня, их техническая характеристика и принцип работы Задание к СРС № 3 Тема: «Методы исследования воздуха» Цель: изучить литературу, ознакомится с особенностями анализа воздуха, выявить в чем состоит сложность анализа воздуха, рассмотреть основные методы анализа воздуха Форма контроля: составление глоссария, устный ответ Задание: 1. Методы анализа воздуха 2. Масс-спектрометрический метод анализа воздуха. Задание к СРС № 4 Тема: «Микробиологические исследования природных вод и почв» Цель: изучить литературу, изучить основные методы микробиологических исследований природных объектов, написать реферат по теме Форма контроля: подготовка реферата Задание: 1. Методы микробиологического исследования почв и воды 2. Методы непосредственного подсчета микроорганизмов под микроскопом. 3. Методы подсчета колоний на питательных средах Задание к СРС № 5 Тема: «Биологические методы исследования природных объектов» Цель: изучить литературу по данной теме, ознакомится с понятиями биоиндикации, биотестирования, составить схему по теме Форма контроля: составление схемы Задание: Классификация биологических методов исследования природных объектов Характеристика биоиндикационных методов исследования 61 Задание к СРС № 6 Тема: «Определение гумуса в почве» Цель: изучить литературу, написать конспект по теме, ознакомиться методикой определения гумуса в почве Форма контроля: конспект, устный опрос Задание: 1. Понятие гумуса 2. Метод определения гумуса по Тюрину в различных модификациях Задание к СРС № 7 Тема: «Виды экологического нормирования и расчет» Цель: изучить литературу, решить предложенные задачи Форма контроля: решение задач Задание: Расчет нормативов ПДВ, ПДС 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ Предмет и задачи дисциплины «Анализ природных объектов». Основные методы анализа природных объектов (качественные и количественные). Определение подвижных форм Cd в почве. Краткая химикоаналитическая характеристика кадмия. Методы определения кадмия (фотометрические, электрохимические, радиохимические). Определение Feобщ, NO3- в воде Анализ природных объектов в экологических исследованиях. Причины необходимости анализа объектов ОС. Основные токсиканты ОС и их источники. Использование полученных аналитических данных для решения экологических проблем. Методы обнаружения радиоактивных веществ. Понятие радиоактивности, виды радиоактивного излучения. Альфа-, бета-, гамма-спектрометрия и принципы анализа данных методов. Атомно-абсорбционная спектрометрия – принцип работы и использование в экологических исследованиях Метрологические характеристики анализа. Основные понятия метрологии. Виды измерений (контактные и бесконтактные) и виды приборов (по видам исследуемой среды, по методам получения информации, по условиям применения, по учебно-производственному принципу). 62 8. Определение гумуса в почве. Понятие гумуса. Определение гумуса по Тюрину: принцип метода, подготовка почвы к выполнению анализа, выполнение анализа, обработка результатов 9. Определение органических соединений и микробиологических показателей в воде. Основные органические соединения в воде; особенности определения органических веществ. Две группы методов количественного учета микроорганизмов 10.Биологические методы исследования природных объектов. Биотестирование: сущность метода, его использование в анализе природных объектов. Биоиндикация и ей применение в экологических исследованиях; виды биоиндикации. 11.Методы исследования воздуха. Особенности исследования воздуха. Приоритетные загрязнители воздуха и методы их определения (хроматографические, спектроскопические и экспрессные). 12.Погрешности и неточности в анализе. Основные виды погрешностей (случайные, систематические и промахи) и их характеристика 13.Физико-химические методы, как основные методы в экологических исследованиях. Классификация и характеристика электрохимических методов анализа (кондуктометрия, высокочастотное титрование, потенциометрия, кулонометрия и др). 14.Приборы для измерения основных показателей природных объектов. Классификация приборов и принцип их работы (приборы 1-го учебнопрактического уровня (радиометр «Белла», нитратомер ЭБИК), приборы 2-го учебно-профессионального уровня, приборы 3-го профессионального уровня) 15.Определение подвижных форм Zn в почве. Кратка физикохимическая характеристика цинка. Определение цинка фотометрическими методами. Влияние посторонних анионов и катионов. 16.Экологическая оценка и нормирование природных объектов. Понятие нормирования, виды экологических нормативов. Понятие ПДК, ПДС, ПДВ. ПДК загрязняющих веществ в атмосфере, водной среде, почве. 17.Физические, химические, физико-химические, биологические методы анализа. Классификация и характеристика. 18.Сорбция Zn, Cu почвами. Понятие сорбции. Четыре основных сорбционных процесса: капиллярная конденсация, хемосорбция, абсорбция и адсорбция. 19.Особенности и методы анализа воздуха. Определение запыленности воздуха: весовой метод, его сущность и проведение анализа; весовой метод с использование беззольных фильтров. Особенности анализа городского воздуха и воздуха рабочей зоны. 20.Физико-химические параметры почвы и их анализ. Особенности химического состава почвы. Определение различных компонентов и характеристик почвы (органических веществ, влагоемкости почвы, 63 капиллярного поднятия воды в почве, кислотности почвы (активной и обменной), общей щелочности. 21.Элементный состав растительных и животных объектов 22.Определение токсикантов в пищевых продуктах. Основные токсиканты пищевых продуктов и методы их определения. Особенности и сложности анализа пищевых продуктов. Предварительная подготовка проб пищевого сырья и продуктов. Методы определения нитратов и нитритов в пищевых продуктах (дифиниламиновый метод, метод ионоселективных электродов). 23.Определение неорганических примесей и нефтепродуктов 24.Приборы в экологических исследованиях. Классификация приборов по различным признакам (по способу получения результатов измерения, по характеру применения, по способу отсчета показания, по метрологической классификации 25.Классификация методов анализа природных объектов в экологических исследованиях (физические, физико-химические, химические, биологические, их характеристика). 26.Анализ физико-химических параметров воды и макрокомпонентов. Основные физико-химические характеристика воды и методы их анализа. 27.Микробиологическое исследование почв. Методы определения суммарной биохимической активности почвенной микрофлоры. Методы количественного учета микроорганизмов: непосредственный подсчет под микроскопом, выращивание микроорганизмов на питательных средах с последующим подсчетом колоний. 28.Основные методы исследования живых объектов. Особенности и сложности исследования живых объектов. Характеристика основных методов 29.Пестициды и другие органические загрязните в природных объектах. Пути попадания. Методы анализа. 30.Определение подвижных форм Cu в почве. Фотометрические методы определения меди 31.Определение зольности хвои и листьев древесных растений как индикационного признака загрязнения воздушной среды тяжелыми металлами. Подготовка проб, ход работы. Пути накопления тяжелых металлов древесными породами. 32.Определение нефтепродуктов и неорганических примесей в почве. Определение нефтепродуктов в поверхностных водах и питьевой воде гравиметрическим методом. 33.Приборы и измерения в экологических исследованиях. Классификация приборов по различным признакам ((по видам исследуемой среды, по методам получения информации, по условиям применения, по учебно64 производственному принципу). Виды измерений (контактные и бесконтактные) 34.Жидкостная и высокоэффективная жидкостная хроматография. Принцип действия, сходства и различия данных методик, преимущества. 35.Спектрометрия, измерение ИК и УФ спектров, применение этих методов в анализе природных объектов 65 66