Измерение химического состава и свойств вещества. Единицы измерения. Основные методы и средства измерений, их классификация и виды.

Большинство выпускаемых промышленностью автоматических анализаторов предназначено для определения состава и свойств бинарных и псевдобинарных смесей. Бинарной смесью называют газовую смесь, состоящую из двух газов, или жидкость, содержащую один растворенный компонент. Анализ бинарной смеси возможен при условии, что составляющие ее компоненты отличаются друг от друга какими-либо физическими или физико-химическими свойствами. Псевдобинарной называют многокомпонентную смесь, в которой неопределяемые компоненты резко отличаются по физическим или физико-химическим свойствам от определяемого компонента. Анализ такой смеси аналогичен анализу бинарной.

Анализ многокомпонентных смесей, содержащих три и более компонента, производят только после предварительного разделения смеси на отдельные компоненты.

Автоматические анализаторы обычно оснащены сложным дополнительным оборудованием для отбора пробы, подготовки ее к анализу, стабилизации условий измерений или автоматического введения поправки и т. п.

Многообразие анализируемых веществ и широкий диапазон их составов и свойств обусловили производство автоматических приборов с чрезвычайно разнообразными методами анализа.

Для анализа бинарных смесей в химической промышленности наибольшее применение получили аналитические приборы со следующими методами измерений:

механическим, основанным на механических свойствах газов и жидкостей или механических явлениях, протекающих в них;

тепловым, основанным на тепловых свойствах анализируемого вещества или тепловых явлениях, протекающих в нем;

магнитным, основанным на магнитных свойствах анализируемого вещества или магнитных явлениях, протекающих в нем;

электрохимическим, основанным на электрохимических явлениях в электродных системах, погруженных в анализируемое вещество;

спектральным, основанным на взаимодействии излучения с анализируемым веществом или на свойствах излучения самих веществ;

радиоактивным, основанным на поглощении или испускании радиоактивного излучения анализируемым веществом;

диэлькометрическим, основанным на измерении диэлектрической проницаемости анализируемого вещества;

химическим, основанным на протекании химических реакций.

Для анализа многокомпонентных смесей в автоматических анализаторах применяется метод разделения компонентов. Этот метод используется в хроматографах и масс-спектрометрах.

Поскольку для каждой отрасли химической промышленности характерны продукты, обладающие специфическими составами и свойствами, приборостроительная промышленность выпускает разнообразные автоматические анализаторы: плотномеры, вискозиметры, газоанализаторы, влагомеры, хроматографы, концентратомеры, кондуктометры-солемеры, ареометры, pH-метры, масс-спектрометрыи т.д. Если приборы для измерения таких общетехнических параметров, как давление, уровень, расход и температура, применяются практически во всех производствах, то анализаторы, напротив, как правило, для специфических задач конкретного производства.

Рассмотрим несколько видов средств измерений химического состава и свойств вещества.

Объемные химические газоанализаторы.

В механических газоанализаторах измерение содержания определяемых компонентов производится на основании изменения механических параметров состояния или соответствующих свойств газовой смеси. К числу измеряемых величин в этих приборах относятся изменения объема или давления пробы газовой смеси, ее вязкости, плотности, скорости распространения звука. Наиболее распространенными приборами этого типа являются объемные (волюмометрические) газоанализаторы. В них о содержании определяемого компонента судят по изменению объема газовой смеси в результате избирательного поглощения, каталитического окисления или сжигания определяемого компонента. Поскольку для избирательного удаления определяемых компонентов используются химические реакции, приборы часто называют объемными химическими газоанализаторами, которые относятся к приборам периодического действия. С их помощью можно произвести измерение концентрации в смеси газов следующих компонентов: двуокиси углерода с сероводородом и двуокисью серы (сумма кислых паров и газов), кислорода, окиси углерода, водорода, непредельных и предельных углеводородов, азота.

Электродные кондуктометры.

Метод измерений основан на кондуктометрическом анализе растворов.

Водные растворы электролитов представляют собой проводники второго рода, перенос тока в которых осуществляется движением ионов. Последние образуются при диссоциации веществ, находящихся в растворе. Электропроводность характеризует суммарную концентрацию находящихся в растворе ионов, в связи с чем приборы для ее измерения градуируются в единицах удельной электропроводности: См/см (сименс на сантиметр) и мкСм/см, в единицах условного солесодержания (мг/кг NaCl или концентрации (% H2SO4).

Удельная электропроводность раствора , См/см, являющаяся величиной, обратной удельному сопротивлению, связана с эквивалентной концентрацией η (г-экв/см³) следующей зависимостью: , где σ- степень диссоциации молекул растворенного вещества; λ — эквивалентная электропроводность вещества при бесконечном разбавлении.

Степень диссоциации определяется числом молекул, диссоциированных на ионы. При одной и той же концентрации молекулы сильных электролитов диссоциируют больше, чем слабых. По мере снижения концентрации степень диссоциации растет, приближаясь к единице. Удельная электропроводность раствора зависит не только от концентрации вещества и его природы, но и от температуры.

Газовый хроматограф.

Газовый хроматограф представляет собой устройство для анализа сложных газовых веществ путем их дифференцирования на монокомпоненты. Далее компоненты смеси подвергаются анализу на предмет качественных и количественных характеристик. При этом исследования можно проводить с применением любых физических и химических способов. Если хроматографу не удалось разделить пробу на элементы, то вещество принято считать однородным. Газовые хроматографы являются неотъемлемой частью хроматографии и широко используются в исследовательской деятельности различных профилей, начиная от фармацевтики и заканчивая добывающей промышленностью.

Газовый хроматограф работает согласно общим принципам хроматографии. Это значит, что элементы смеси распределяются между двумя фазами: подвижной (элюентом) и неподвижной. Для газового хроматографа характерно проведение исследований, где в качестве подвижной фазы выступает газ или пар. Чаще всего в качестве элюента выступают гелий, водород и азот. Неподвижной фазой может быть как твердое тело (тогда речь идет о газообсорбционной хроматографии), так и жидкое вещество (в таком случае, принято говорить о газожидкостной хроматографии).

Само исследование смесей в газовом хроматографе выглядит следующим образом:

· Поступление пробы в устройство ввода. Небольшое количество исследуемого вещества помещается в устройство ввода при помощи специального дозатора. Здесь же происходит испарение жидких проб с последующим поступлением в хроматографическую колонку.

· Разделение смеси на монокомпоненты. Смесь делится на отдельные элементы при одновременном протекании процессов сорбции-десорбции веществ между элюентом и неподвижной фазой.

· Перемещение в детектор монокомпонентов и газа-носителя. Здесь происходит регистрация веществ, которые по своим физико-химическим свойствам отличаются от газа-носителя, и преобразование их в электросигнал.

· Усиление электрического сигнала и преобразование его в аналоговое напряжение. На этом этапе данные получают цифровую форму.

· Составление хроматограммы. Регистратор (как правило, это ПК) выстраивает график зависимости сигнала от времени. Этот график принято называть хроматограммой.

Масс-спектрометр.

Масс-спектрометр – устройство для разделения потока ионов в газовой фазе в соответствии с соотношением массы к заряду m/z. В неорганической и органической масс-спектрометрии используются один тип масс-спектрометров.

Все отличие в массе определяемых ионов:

• менее 300 а.е.м (неорганическая масс спектрометрия);

• более 300 а.е.м. (органическая масс спектрометрия).

А.е.м. - атомная единица массы.

Принцип работы масс-спектрометра.

Проба исследуемого вещества подается в вакуумную камеру, где ионизируется.

Ионизированный газ проходит через мощное постоянное магнитное поле, которое отклоняет траекторию движения ионизированных частиц газа в зависимости от отношения массы к заряду.

Потоки ионизированных частиц регистрируются на приемной поверхности вакуумной камеры.

По показаниям счетчиков определяют процентное соотношение того или иного компонента.

Источники ионов и детекторы в масс-спектрометрии.

Детекторы:

1.Фотопластина;

2.Электронный умножитель (система диодов);

3.Фотоумножитель (регистрируют свечение, возникающее при бомбардировке

ионами люминофора);

4.Электрометр Фарадея (полый металлический проводник);

5.Микроканальные умножители, системы диодных матриц и коллекторы, собирающие все ионы, попавшие в данную точку пространства и др.

Источники ионов.

Назначение: атомизация твердой или жидкой пробы и последующая ионизация атомов.

Виды источников ионов:

1.Нить нагрева из Ta, Re, W (испарение и ионизация пробы нанесенной на тугоплавкую нить при температуре 800-20000С);

2.Аргоновая индуктивно-связанная плазма (ВЧ-поле плазменной катушки);

3.Искра высокого напряжения (10-20 кВ);

4.Тлеющий разряд;

5.Лазерно-индуцированная плазма.

Основные типы масс-спектрометров:

1.Секторные магнитные и электрические МС (разделяют ионы в пространстве);

2.Квадрупольные МС (прибор с масс-фильтром);

3.Времяпролетные или ионно-дрейфовые МС (разделяют ионы по времени);

4.МС с преобразованием Фурье;

5.МС с ионной ловушкой.