Розділ ІV. Фізико-хімічні основи друкарських та обробних процесів.

Самостійне вивчення.

Тема: Фізико-хімічні методи аналізу.

План:

1.Фізико-хімічні методи аналізу.

2.Метод градуювального графіка.

3.Метод молярної властивості.

4.Метод додатків.

5.Методи титрування.

6.Застосування фізико-хімічніих методів аналізу.

Теоретичні відомості

1.Фізико-хімічні методи аналізу, їх ефективність(чутливість, вибірковість, точність визначення, ефективність). Значення фізико-хімічних методів аналізу для автоматизації технологічних процесів і в хіміко-технологічному контролі виробництва.

2. Суть і значення фотометричних методів, загальна характеристика методів стандартних серій і калібру ванного графіка.

3. Приклади для колориметрії з допомогою стандартних серій і калібрувального графіка.

Багато фізико-хіміччних характеристик розчинів, таких, як: світло поглинання, електропровідність тощо, залено від концентрації речовини. Отже, вимірюючи ці речовини, можна визначити кількість речовини в розчині, що аналізується.

Фізико-хімічні методи аналізу в основному мають меншу точність, ніж хімічні методи. Точність більшості фізико-хімічних методів ⁺₋5%. Основу фізико-хімічного аналізу складають фотометричні, електрометричні і хроматографічні методи.

У фотометричних методах використовують залежність між складом, кількістю речовини та її світло поглинанням, світлорозсіюванням, заломленням світла (рефракцією), обертанням площини поляризації, люмінесценцією.

Електрометричні методи аналізу основані на вимірюванні різних електричних характеристик речовини (зміна електропровідності, електричного потенціалу, величини сили струму).

Методи хроматографічного аналізу основані на відмінностях в адсорбованості речовини, константах іонного обміну, розчинності осадів тощо.

Фотометричні методи аналізу основані на вимірюванні поглинання, пропускання і розсіювання світла речовиною, яку визначають. Деякі безбарвні або слабо забарвлені іони можуть при взаємодії з іншими іонами бо орнанічними сполуками утворювати забарвлені сполуки. Подібні реакції називаються кольоровими.

Наприклад, іони Fe ⁺³ мало забарвлені, але при реакції з роданід-іонами SCN ^– вони утворюють темно-червоні комплексні іони. Блакитні іони Купруму утворюють із молекулами амоніаку яскраво-сині мідно-аміачні комплексні іони. Безбарвні іони Марганцю Мn⁺² можна окислити до яскраво-малинових іонів МnО₄. Кількість одержаних забарвлених іонів (або молекул) еквівалентна кількості іонів, які визначають. Тому кольорові реакції лягли в основу фотометричних визначень.

Якщо в результаті реакції утворюється важкорозчинна сполука в малій кількості, то вона залишається в завислому стані і утворює суспензію.

Ступінь каламутності розчину буде прямо пропорційним кількості речовини, що визначається, Тому в методах фотометрії використовують не тільки кольорові реакції, але й реакції, що відбуваються з утворенням важкорозчинних речовин.

Спостереження можна проводити візуально або за допомогою різних фізичних приладів. Розрізняють такі фотометричні методи, як: спектрометрія, фотоелектроколориметрія, колориметрія, нефелометрія, флюорометрія.

Колориметрія – візуальне визначення вмісту речовини за інтенсивністю забарвлення розчину, який одержують при взаємодії даної речовини з яким-небудь реактивом.

Фотоелектроколориметрія – це визначення вмісту речовини за поглинанням забарвленим розчином світла, що проходить крізь світлофільтр і вимірюється фотоелементом.

Нефелометрія –це визначення вмісту речовини за ступенем каламутності розчину, що проводиться візуально або за допомогою приладів.

Указані методи використовуються в тому випадку, якщо є дуже мала кількість речовини, Визначення такої кількості речовини звичайними методами гравіметрії і титриметрії практично неможливе.

Використовуючи колориметричні методи, визначають кількість речовини за інтенсивністю забарвлення розчину, одержаного в результаті взаємодії речовини, що визначають, з яким-небудь реактивом.

При колориметричних визначеннях порівнюють забарвлення досліджуваного і стандартного розчинів візуально. Колориметричні методи відрізняються способами порівняння забарвлення невідомого і стандартного розчинів.

Цих методів декілька, а саме: метод стандартного ряду; метод зрівнювання рівняння4 метод розбавлення; метод колориметричного титрування.

 

Завдання для самоконтролю:

1.У чому суть фізико-хімічних методів аналізу?

2.На чому основані фотометричні методи аналізу?

3. Що таке оптична густина розчину?

4.Які розчини у фотометрії називаються стандартними?

5.У чому суть методу стандартного ряду?

 

Рекомендована література:

1.Технологічні процеси галузей промисловості: Навч. посіб. / За ред. Д.М. Колотила, А.Т. Соколовського – К, КНЕУ, 2008 – 372 с.

2.Матеріали з Інтернету.

Самостійне вивчення.

Тема: Фізико-хімічні явища при обробних процесах.

План:

1.Фізико-хімічні методи аналізу.

2.Метод градуювального графіка.

3.Метод молярної властивості.

4.Метод додатків.

5. Методи титрування.

Теоретичні відомості

В сучасному виробництві застосовують фізико-хімічні методи обробки матеріалів як доповнення, а інколи для заміни традиційних методів. Вони мають слідуючи переваги: можуть копіювати складну форму інструменту зразу по всій поверхні заготовки; обробка заготовки ведеться практично не залежно від твердості і в’язкості матеріалу; можна виконувати унікальні роботи (обробка отворів з криволінійною чи спіральною віссю, вузьких і глибоких канавок); малі значення сил, що діють на заготовку в процесі обробки, а при деяких методах відсутність контакту інструмента і заготовки; використовується інструмент м’якший ніж оброблюваний матеріал; висока продуктивність обробки при порівняно високій точності одержуваних розмірів; можливість автоматизації процесів. Недолік фізико-хімічних методів обробки в тому, що ці процеси більш енергомісткі ніж обробка різанням, тому їх доцільно застосовувати лише в тих випадках, коли обробка різанням малоефективна, або неможлива.

 

Всі фізико-хімічні методи обробки включають слідуючі основні види, кожен з яких складається з декількох різновидностей, це електроерозійні, електрохімічні, ультразвукові, променеві і комбіновані методи обробки. В цих методах знімання припуску здійснюється не за рахунок великих пластичних деформацій, а шляхом електричної, або хімічної ерозії. Ці методи економічно ефективні при обробці складних поверхонь на твердих матеріалах (прес-форми, штампи, твердосплавний фасонний інструмент...)

Фізико-хімічні методи аналізу об’єд­нують групу методів, що ґрунтуються на залежності фізичних властивостей речовини від її природи. Величина фізичної властивості, яка функціонально пов’язана з концентрацією або масою компонента, що визначається, становить аналітичний сигнал. У фізико-хімічних методах аналізу як аналітичний сигнал використовують інтенсивність випромінювання, силу струму, електропровідність, різницю потенціалів.

Фізико-хімічні методи аналізу можуть включати хімічні перетворення сполуки, що визначається, розчинення зразка, концентрацію компонента, який аналізують, маскування речовин, що заважають, та ін.

До важливих фізико-хімічних методах аналізу належать: спектроскопія (напр. люмінесцентний аналіз, спектральний аналіз, нефелометрія та турбодиметрія тощо), яка базується на дослідженні випускання та поглинання випромінювання в різних зонах спектра; електрохімічні методи, що ґрунтуються на вимірюванні електричних властивостей речовин (вольтамперометрія, кондуктометрія, кулонометрія, потенціометрія та ін.); хроматографія (напр. газова хроматографія, рідинна хроматографія, ТШХ, іонообмін­на хроматографія). Широко використовують методи, що базуються на вимірюванні швидкостей хімічних реакцій (кінетичні методи аналізу), теплових ефектів реакцій (термометричне титрування, див. Калориметрія), а також на розділенні іонів у магнітному полі (мас-спектрометрія).

При виконанні фізико-хімічні методи аналізу використовують спеціальну, достатньо складну вимірювальну апаратуру, тому ці методи називають інструментальними. Багато сучасних приладів облад­нані ЕОМ, що дозволяє знаходити оптимальні умови аналізу (напр. визначити спектральну зону одержання точних результатів при аналізі сумішей забарвлених речовин, виконати розрахунки та ін.). Майже у всіх фізико-хімічні методи аналізу використовують методи прямих вимірювань і титрування. У прямих методах використовують залежність аналітичного сигналу від природи речовини, яку аналізують, та її концентрації. Залежність сигналу від природи речовини — основа якісного аналізу (зокрема, потенціал напівхвилі у полярографії). У деяких методах зв’язок аналітичного сигналу з природою речовини встановлено суто теоретично. У кількісному аналізі використовують залежність інтенсивності сигналу від концентрації речовини. Найчастіше вона має такий вигляд: I = a + bc (рівняння зв’язку),

де I — інтенсивність сигналу (сила дифузійного струму в полярографії, оптична густина у спектрофотометрії та ін.); с — концентрація; а і b — константи, причому в багатьох випадках а = 0 (спектрофотометрія, поля­ро­графія та ін.). У деяких випадках фізико-хімічних методах аналізу рів­няння зв’язку встановлено теоретично, напр., закон Бугера — Ламберта — Бера (фотометричний аналіз), рівняння Ільковича (вольтамперометрія).

Числові значення констант у рівнянні зв’язку визначають експериментально за допомогою стандартних зразків, стандартних розчинів і т.п. Лише в кулонометрії, яка базується на законі Фарадея, не потрібно визначати константи.

Найбільш поширені у практиці такі методи визначення констант рівняння зв’язку:

1) метод градуювального графіка. Вимірюють інтенсивність аналітичного сигналу кіль­кох стандартних зразків або стандартних розчи­нів і будують градуювальний графік у коор­динатах: I = f(с) або I = f(lgc),

де с — концентрація компонента в стандартному розчи­ні або стандартному зразку. У тих же умовах ви­мірюють інтенсивність сигналу в пробі, яку аналізують, і за градуювальним графіком знаходять концентрацію;

2) метод молярної властивості використовують у тих випадках, коли рівняння зв’язку I = bc виконується достатньо точно. Вимірюють аналітичний сигнал кількох стандартних зраз­ків або розчинів та розраховують b = I_ст /C_ст;якщо Сст вимірюють у моль/л, то b — молярна властивість. У тих же умовах вимірюють інтенсивність сигналу в пробі, яку аналізують, I _xі за співвідношенням

Cx = Ix/b або Cx = CстIx/Iст розраховують концентрацію;

3) Метод додатків. Вимірюють інтенсивність аналітичного сигналу проби I_x, а потім інтенсивність сигналу проби з відомою добавкою стандартного розчину Ix+ст. Концентрацію речовини в пробі розраховують за співвідношенням

Cx = CстIx/(Ix+ст – Iх).

Методи титрування. Вимірюють інтенсив­ність аналітичного сигналу I залежно від об’є­му V доданого титранту. За кривою титрування I = f(V) знаходять точку еквівалентності та розхраховують результат за звичайними формулами титриметричного аналізу (див. Титриметричний аналіз). Фізико-хімічні методи аналізу часто використовують для визначення речовин при їх низькому вмісті (~10^–3% та менше), де класичні хімічні методи не застосовуються. У зоні середніх та високих концентрацій хімічні та фізико-хімічні методи аналізу успішно конкурують між собою, взаємодоповнюючи один одного. Фізико-хімічні методи аналізу розвиваються в напрямку пошуку нових хіміко-аналітичних властивостей речовин, підвищення точності аналізу, конструювання нових прецизійних аналітичних приладів, удосконалення існуючих методик і автоматизації аналізу. Останнім часом інтенсивно розвивається проточно-інжекційний метод аналізу — один із найбільш універсальних варіантів автоматизованого аналізу, що ґрунтується на дис­кретному введенні мікрооб’ємів розчину, який аналізують, у потік рідкого носія з реагентом і подальшому детектуванні суміші тим чи іншим фізико-хімічним методом.

Завдання для самоконтролю:

1. Дати визначення фізико-хімічним методам аналізупри обробних процесах.

2. Пояснити метод градуювального графіка.

3. Що вимірюють методом молярної властивості, методом додатків та

методом титрування?

4. Застосування фізико-хімічніих методів аналізу.

Рекомендована література:

1.Технологічні процеси галузей промисловості: Навч. посіб. / За ред. Д.М. Колотила, А.Т. Соколовського – К, КНЕУ, 2008 – 372 с.

2.Матеріали з Інтернету.