Теорія та практика відбирання проби та її підготовка

Лекція №14 (1 година)

План

1. Об'єкти аналізу. Поняття про пробу. Відбирання проби.

2. Переведення проби у розчин.

3. Методи розкладання окисненням і відновленням.

4. Аналіз сумішей катіонів і аніонів (якісний хімічний аналіз речовини).

Об'єкти аналізу. Поняття про пробу. Відбирання проби

Хімічний аналіз найчастіше починають із відбору та підготовки проби до аналізу. Необхідно відмітити, що усі стадії аналізу зв’язані між собою. Так, ретельно виміряний аналітичний сигнал, не дає правильної інформації про вміст визначаємого компоненту, якщо неправильно проведений відбір чи підготовка проби до аналізу.

Порядок відбору проби і її підготовка наводяться у відповідних Державних стандартах.

Для проведення аналізу, як правило, беруть середню пробу. Це невелика частина досліджуваного об'єкту, середній склад та властивості якої повинні бути ідентичними в усіх відношеннях середньому складу та властивостям досліджуваного об'єкта. Розрізняють генеральну, лабораторну та досліджувану проби. Генеральна (груба) проба відбирається безпосередньо з досліджуваного об'єкта. Вона достатньо велика  звичайно, 150 кг, для деяких об'єктів складає іноді 0,55 т.

Із генеральної проби шляхом її скорочення відбирають лабораторну пробу (звичайно, від 25 до 1 кг). Одну частину лабораторної проби використовують для попередніх досліджень, другу  зберігають для можливих у майбутньому арбітражних аналізів, третю  використовують безпосередньо для аналізу (досліджувана проба). Якщо необхідно, то пробу подрібнюють та усереднюють. Для досліджуваної проби проводять декілька визначень компонента: з окремих наважок 10-1000 мг (якщо досліджуваний об'єкт  тверда речовина) чи аліквот (якщо досліджувана речовина  рідина чи газ). Вміст визначаємого компоненту в досліджуваній пробі повинен відображати середній вміст цього компоненту в досліджуваному об'єкті, тобто досліджувана проба повинна бути представницькою.

Відбирання проби газів

Пробу газа відбирають, вимірюючи його об’єм за допомогою вакуумної мірної колби чи бюретки з відповідною запорною рідиною, часто конденсують газ у пастках різного типу за низьких температур.

Відбирання проби рідин

Способи відбирання гомогенних і гетерогенних рідин різні.

Пробу гомогенної рідини відбирають за допомогою відповідних піпеток, бюреток та мірних колб. Відбирання проби із загального об’єму проводять після ретельного перемішування. Відбір гомогенної рідини проводять через певні інтервали часу і в різних місцях. Для відбирання проб на різній глибині застосовують спеціальні пробовідбірні прилади  барометри різної конструкції.

Проби гетерогенних рідин відбирають не тільки за об’ємом, але і за масою. Щоб відібрати пробу, рідину гомогенізують чи добиваються повного її розділення на окремі шари.

Таким чином, в залежності від природи рідини та задачі, яку вирішують, під час аналізу може змінюватись спосіб, час відбирання проби та її розмір.

Відбирання проби твердих речовин

Під час відбирання генеральної, лабораторної та досліджуваної проби твердих речовин виникає питання про розмір проби.

Оптимальна маса проби обумовлена неоднорідністю досліджуваного об’єкту, розміром частинок, з яких починається неоднорідність та вимогами до точності аналізу, які звичайно, визначають за похибкою у відбиранні проби.

Залежність маси представницької проби від розміру (діаметру, d) неоднорідних частинок проілюстрована нижче:

d, мм 40-50 25 10 5 3 2 1

Q, кг 50-310³ 10-700 2-100 0,5-25 0,2-10 0,1-5 0,02-1

Для розрахунку оптимальної маси представницької проби існує декілька прийомів. Часто використовують формулу Річердса-Чеччота:

де Q  маса проби, яка забезпечує показність, кг;

d  найбільший діаметр неоднорідних частинок, мм;

К  емпіричний коефіцієнт пропорційності, що характеризує ступінь неоднорідності розподілу визначаємого компоненту в матеріалі, змінюється у межах 0,02  1.

Способи відбору генеральної проби твердої речовини різні для речовин, які знаходяться у вигляді цілого чи подрібненого продукту.

Після відбирання генеральної проби твердої речовини здійснюють процес гомогенізації, який включає операції подрібнення та просівання. Ці операції чередуюють до тих пір, доки не одержать достатньо розтерту однорідну пробу. Наступний етап відбирання проби  усереднення, яке включає операції перемішування та скорочення проби. Перемішування може проводитись механічно, за методом конуса та кільця. Скорочення проби проводять різними способами. Цей процес, як правило, багатостадійний, включає повторне перемішування та розподіл.

Переведення проби у розчин

Сучасні методи підготовки проби базуються на використанні високо активних реагентів, збільшених тиску та температури, каталізу, випромінювань різного типу. Вибір способу розкладання проби та переведення її компонентів у розчин залежать від деяких факторів, які необхідно враховувати під час обгрунтування схеми хімічного аналізу. Перед усім звертають увагу на неорганічну чи органічну природу основи об’єкту (матріца), хімічний склад зразку, хімічні властивості компонента, що визначають.

Спосіб розкладання проби та переведення її у розчин залежить від мети аналізу. Так, різним чином проводять пробопідготовку під час елементного та функціонального аналізу органічних сполук; під час визначення загального вмісту будь-якого елементу (залізо, хром) та його форм у різному ступені окиснення (ферум(ІІ) та ферум(ІІІ), хром(ІІІ) та хром(VI)), а також основних компонентів зразку та домішок у ньому.

Спосіб розкладання та переведення проби в багатьом визначається вибраним аналітичним методом. Наприклад, пробопідготовка під час визначення органічних сполук у біологічних об’єктах хроматографічним та спектрофотометричними методами розрізняється.

Після вибору способу розкладання проби необхідно оцінити усі можливі похибки на цій стадії аналізу. Найбільш типові похибки обумовлені втратами летучих компонентів під час використання високих температур; забрудненням із матеріалів посуду та пристріїв для розкладання проб; наявністю заважаючих проведенню аналізу домішок у реактивах та розчинниках, що використовують для розкладання зразків.

Способи розкладання поділяють на “сухі” та “мокрі”: до перших відносять термічне розкладання, сплавлення та зпікання з різними речовинами (солі, оксиди, луги та їх суміші); до других  розчинення досліджуваної проби у різних розчинниках, переважно у кислотах та сумішах.

Розчинення

У найкращому випадку розчинник повинен розчиняти пробу швидко, у достатньо м’яких умовах і не заважати на слідуючих стадіях аналізу.

Найкращий розчинник  вода. Багато неорганічних солей та деякі органічні сполуки (нижчі та багатоатомні спирти, амінокислоти, гідрохлориди амінів, солі лужних металів органічних кислот, сечовина) легко розчиняються у воді. Іноді у воду додають невелику кількість кислоти для запобігання гідролізу та часткового осадження деяких катіонів металів. У окремих випадках для розчинення органічних речовин використовують суміш води та органічного розчинника, що змішується з нею (наприклад, суміш води та етанолу).

Для розчинення органічних сполук застосовують органічні розчинники. Як правило, це спирти, хлоровані вуглеводні, кетони. Так, для розчинення полімерних матеріалів різного типу використовують диметилформамід, диметил ацетамід, метилізобутилкетон, метанол.

Під час “мокрого” способу розкладання проби часто застосовують різні кислоти та їх суміші за умов нагрівання. При цьому в пробу не вводять сторонні катіони; а самі кислоти порівняно легко видаляються з сфери реакції за умов нагрівання. Кислоти в залежності від їх природи та концентрації можуть проявляти окисні (конц. HNO₃ та H₂SO₄) чи комплексоутворюючі властивості (HF та H₃PO₄). Кислоти та їх суміші, які найбільш часто використовують для розчинення представлені у таблиці 7.

Таблиця 7