Методы химического анализа

Методы химического анализа

Введение в учебную дисциплину

Рыночная экономика не может обходиться без широкого использования современных методик по оценке производственной и рыночной новизны, технического уровня и конкурентоспособности производимой и продаваемой продукции. Только в этом случае возможно успешное регулирование уровня качества выпускаемой продукции на предприятиях в рамках систем качества.

Особые требования предъявляются к методическим основам оценки качества продукции при подготовке и проведении обязательной и добровольной сертификации, которые должны наиболее полно обеспечивать:

возможность выявления, комплексного анализа и достоверной оценки всей совокупности потребительских свойств, безопасности и экологичности продукции;

создание на основе проведенной оценки предпосылок для социальной защиты потребителей от функционально и экологически опасной продукции, а также от несоответствия реальной цены на продукцию её качеству.

Выполнение требований может быть достигнуто комплексным решением технических и управленческих задач, к которым относятся:

1. использования современных методик по оценке производственной и рыночной новизны, технического уровня и конкурентоспособности производимой и продаваемой продукции а также объективное отражение этих свойств и показателей в нормативно-технической документации на продукцию и в результатах оценки её качества.

2. Оценка качества продукции (в любых формах представления её результатов) на различных этапах взаимодействия разработчиков, изготовителей и потребителей с учётом взаимосвязи качества, количества и цены потребления.

3. Оперативное получение необходимых данных об уровне качества продукции и её конкурентоспособности на любом этапе «петли качества».

4. Своевременное применение руководством предупреждающих и корректирующих действий для совершенствования систем и процессов разработки, изготовления и реализации продукции.

Решение перечисленных задач возможно только при наличии достаточного количества зарегистрированных и доступных для измерения показателей, отражающих уровень качества продукции. Без них невозможна выработка необходимых управляющих воздействий в системе управления качеством продукции.

Теории измерения показателей, создаваемых или используемых человеком продукции и процессов, разрабатываются различными науками. Исследование как количественных, так и неколичественных методов и оценка уровня качества продукции осуществляется с использованием методов межотраслевой (междисциплинарной) науки квалиметрии, её задачи:

определение номенклатуры и численных значений показателей качества для включения их в техническое задание на разработку и нормативную документацию с целью последующего контроля и сопоставительной оценки с продукцией аналогичного назначения;

формирование требований к показателям качества для включения их в нормативную документацию (стандарты, технические регламенты и условия);

оценка качества продукции на основе полученных показателей в ходе её испытаний и контроля;

разработка стратегий обслуживания технических устройств на основе данных о показателях надежности.

Особое место в решении задач квалиметрии по формированию системы и регистрации показателей качества отводится физическим и физико - химическим методам аналитического контроля. Применение их обеспечивает проведение качественного и количественного анализа веществ, входящих в состав выпускаемой продукции. Результатами анализа являются полученные параметры веществ,

отражающие их состав и свойства, без которых выводы и заключения о качестве продукции могут быть весьма спорными. Роль и значение параметров состава и свойств веществ для различных видов продукции раскрываются в последующих вопросах настоящей темы.

Формирование и регистрация параметров веществ, входящих в состав продукции, осуществляется на всех стадиях её жизненного цикла ( рис.1):

1. Исследования и обоснования разработки продукции. В ходе проведения научно - исследовательских работ обосновываются ожидаемые и достижимые показатели качества.

2. Разработки изделия или технологии производства материала. При проведении опытно - конструкторских и лабораторно - исследовательских работ уточняются показатели качества и включаются в технологическую документацию на производство продукции.

3. Производства продукции. На предприятиях организуется проверка выпускаемой продукции, в ходе которой контролируются, уточняются и совершенствуются показатели качества, а при необходимости вносятся корректирующие изменения в технологическую документацию на её производство.

4. Эксплуатации продукции. Эта стадия отличается от остальных реализацией показателей качества при вводе изделий в эксплуатацию, хранении и транспортировании, использовании их по назначению и поддержания в исправном состоянии - обслуживании. В ходе каждого из перечисленных этапов используются определенные показатели, отражающие начальное состояние изделия, его характеристики и возможные изменения при нарушении условий эксплуатации. Показатели качества, претерпевшие изменения при эксплуатации продукции, как правило, обрабатываются, анализируются и применяются в качестве исходных данных при совершенствовании или создании новой продукции.

Рис.1. Стадии жизненного цикла изделий

5. Восстановления работоспособности и исправности изделий. Эта стадия характеризует неработоспособное состояние изделий, требующих ремонта и восстановления ресурса. До перехода изделия в эту стадию его показатели качества, как правило, изменяются в сторону уменьшения первоначальных значений, по причинам естественного старения и износа материалов. Для определения технического состояния изделий применяются диагностические показатели, которые близки по содержанию показателям качества.

На любой из стадий жизненного цикла продукции возникает необходимость контроля качества материалов, так как от их состояния существенно зависят потребительские и эксплуатационные свойства изделий, а также безопасность их использования по назначению. Поэтому специалисты по качеству должны в совершенстве владеть методами анализа состава продукции и измерения её параметров. Для этого необходимо изучить соответствующие методики и освоить приёмы использования современных приборов, применяемых в лабораторных условиях и в производственной практике.

Утилизации подлежит продукция, потерявшая свои свойства в процессе эксплуатации или дальнейшее использование которой нецелесообразно. Применяются различные способы утилизации (переработка, сжигание, захоронение и др.), в результате образуются вторичные продукты, которые не всегда безвредны и нередко наносят существенный вред окружающей среде. Параметры последствий воздействия продукции на окружающую среду после её утилизации и методы их контроля должны разрабатываться в ходе исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Учебная дисциплина «Физико - химические методы аналитического контроля» выполняет функцию специального раздела в ряду дисциплин (метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством), изучающих правила управления качеством и подтверждения качества продукции. Наиважнейшей задачей учебной дисциплины является ознакомить студентов с современными методами анализа продукции, которые наиболее широко используются для решения текущих химико - технологических задач производства и проверки качества продукции.

На изучение дисциплины отводится 66 часов учебного времени, из них для лекционных занятий - 32 часа и выполнение лабораторных работ - 34 часа. Лабораторные работы будут проведены в соответствии с разработанным на кафедре лабораторным практикумом, должны быть выполнены каждым студентом и обязательно защищены. Завершается изучение дисциплины сдачей экзамена.

Литература, рекомендованная для изучения

1.М.В.Кулаков.Технологические измерения и приборы для химических производств.Изд. Москва «Машиностроение» 1983. . Библиотека ТГТУ инв. .№ Л 11 / К 90

2. В. А. Прохоров. Основы автоматизации аналитического контроля химических производств. Изд. Москва «Химия»1984. Библиотека ТГТУ инв. .№ Л 11 / П 844.

3.Г. Юинг. Инструментальные методы химического анализа. Изд. Москва «Мир» 1989. Библиотека ТГТУ инв. .№ Г 4 / Ю 22.

4.Аналитическая химия. Физические и физико - химические методы анализа. Под ред. проф. Петрухина. Изд. Москва «Химия» 2001. Библиотека ТГТУ инв. .№ Г 4 / А 64. Библиотека ТГТУ инв. .№ Л 11 / П 844.

5. В.Ф.Барковский, Физико-химические методы анализа. Изд. Москва «Высшая школа» 1983 г. Библиотека ТГТУ инв. .№ Г 4 / 252.

6. В.П.Васильев. Аналитическая химия. Физико - химические методы анализа, ч. 2. Изд. Москва «Высшая школа» 1989.

7. Б. И. Герасимов. Микро процессорные аналитические приборы. Изд. Москва «Машиностроение» 1989 г. Библиотека ТГТУ инв. .№К 9 / Г 371.

1. Теоретические основы аналитического контроля качества продукции

Обеспечение качества продукции представляет собой многоплановый процесс, включающий проведение комплекса мероприятий по формированию, контролю и поддержанию характеристик, отражающих свойства продукции Наиважнейшим мероприятием является аналитический контроль, который проводится на всех стадиях жизненного цикла продукции. В зависимости от решаемых задач при проведении аналитического контроля применяются различные методы для определения состава и измерения параметров продукции.

1.1 Общие сведения о методах анализа состава и измерения параметров продукции

В основе определения состава и свойств продукции лежит химический анализ. Он связан с проведением качественного и количественного анализа состава продукции и сравнением полученных результатов с установленными нормативно-технической документацией требованиями.

Химический анализ в широком смысле этого понятия, включающий физические и физико-химические методы, является составной частью метрологии. Его особенностью является предварительное проведение качественного анализа, т. е. идентификации химических частиц различного рода (атомов, молекул, ионов, радикалов) с последующим определением их количества (качественный анализ) в анализируемом продукте.

Цели, с которыми проводится качественный или количественный химический анализ состава продукции разнообразны. В зависимости от решаемых задач и глубины проверки продукции результаты могут быть получены проведением следующих анализов: атомного, молекулярного, функционального и валового. Атомный (элементный) и молекулярный анализы заключаются в контроле состава веществ на уровне атомов или молекул. Функциональный анализ заключается в определении состава функциональных групп в химических соединениях. Валовой анализ применяется в случае проверки сложных смесей веществ (горные породы, цемент), когда состав пробы выражается в виде условно выбранных соединений, например оксидов.

Состав продукции проверяется измерением количества или физических свойств, входящих в неё веществ. Измерения производятся непосредственно или же после соответствующей подготовки продукции (разделение, концентрирование, перевод в удобную для измерения форму и др.). Процесс завершается измерением величины аналитического сигнала. Для получения аналитического сигнала, как правило, используются три группы методов: химические, физические и физико-химические.

Химические методы основаны на химических реакциях определяемого компонента с реагентом. Эффектом реакции может быть образование малорастворимого осадка, малодиссациированного соединения или прочного комплексного соединения.

В физических методах измеряется свойство (интенсивность излучения света, радиоактивного излучения и др.), непосредственно зависящее от природы атомов и их концентрации в веществе. При этом химические реакции или совсем не играют роли, или имеют второстепенное значение.

В физико-химических методах анализа определяются изменения физических свойств системы (коэффициента преломления света, электрической проводимости, поглощения света и др.), происходящие в результате химических или электрохимических реакций. Интенсивность физического сигнала зависит от концентрации определяемого компонента.

Между химическими и физико-химическими, физическими и физико-химическими методами анализа не всегда можно провести чёткую границу. Например, измерение электрической проводимости растворов (кондуктометрия) не требует проведения химических реакций и относится к физическим методам, тогда как определение изменения электрической проводимости при титровании кислоты щёлочью (кондуктометрическое титрование) является физико-химическим методом. Иногда физические и физико-химические методы объединяются под общим названием инструментальные методы, так как для измерения сигналов используется прецизионная аппаратура.

1.2. Физико- химические методы анализа и их место в системе контроля качества продукции

Свойства веществ и материалов, производимой и реализуемой продукции, изучаются с использованием методов современной аналитической химии, которые направлены на решение задач управления качеством продукции.

Основными рабочими средствами аналитической химии являются физические и физико - химические методы анализа. Всё большее число используемых в них принципов контроля реализуются в инструментальных методах. Появляются узкоспециализированные приборы для автоматического контроля химико - технологических процессов. Увеличивается число приборов, сочетающих несколько аналитических методов (газовые и жидкостные хроматографы, хромато-масс-спектрометры и др.).

Физические и физико-химические методы анализа являются естественным продолжением курса химических методов анализа, и основывается на регистрации аналитических сигналов, появление которых зависит от физико-химических свойств вещества, его природы и содержания в анализируемом продукте.

Классические методы анализа применяются в специализированных аналитических лабораториях. Их проведение связано с периодическим отбором проб анализируемых продуктов, что не всегда удобно, эффективно и не обеспечивает высокую скорость получения результата. Вместе с тем, они не в состоянии удовлетворить многообразные запросы науки, техники, промышленности и социальной жизни людей. Этих недостатков лишены физические и физико-химические методы, а доступность аппаратуры делает их востребованными в практике всех сфер деятельности людей.

Современные отрасли производства и социальной жизни людей ставят свои специфические задачи перед физическими и физико - химическими методами анализа по контролю качества продукции.

Выплавляя чугун или сталь, металлург должен знать качественный и количественный состав плавок. Вместе с содержанием основного металла в сплаве ему необходимы данные о составе используемых исходных веществах и их свойствах. Контроль этих параметров позволяет непосредственно судить о режиме плавки, так как они характеризуют качество получаемых сплавов, а также при необходимости производить соответствующие корректировки технологических процессов. Например, жаропрочные сплавы металлов теряют свои свойства, если количество “запрещенных” примесей в них превысит 10-5%. Вместе с тем, определение малых концентраций примесей практически невозможно химическими методами. Поэтому для решения задач такого рода применяются физические и физико-химические методы анализа, обладающие самым низким пределом обнаружения примесей.

В ходе протекания химико-технологических процессов производства продукции изменяются химический состав перерабатываемых веществ и их свойства. Контроль этих параметров позволяет непосредственно судить о режиме процесса, составе получаемых продуктов, а скорость получения данных своевременно вносить соответствующие корректировки. Поэтому на химических предприятиях применяются методы автоматизированного контроля, которые реализуются с применением приборов называемых анализаторами.

Наряду с черной и цветной металлургией, химической промышленностью и другими традиционными отраслями большое значение стали иметь отрасли по освоению атомной энергии в мирных целях, связанные с ракетостроением, освоением космоса, развитием полупроводниковой промышленности, электроники, компьютеров, чистых и сверхчистых веществ.

Развитие перечисленных отраслей поставило перед специалистами задачу снизить предел обнаружения примесей в производимых веществах до 10-5 - 10-10%.Это стало возможным только при условии применения физических и физико-химических методов анализа.

Впечатляют примеры, показывающие связь свойств с загрязнением примесями полупроводниковых материалов, из которых изготавливаются радиоэлектронные элементы с загрязнением исходных материалов, используемых для их изготовления «вредными» примесями. Германий, применяемый в электронной промышленности, утрачивает свои полупроводниковые свойства, если загрязнен фосфором или мышьяком в пределах 10-10%. Цирконий, являющийся конструкционным материалом для ядерной промышленности, при наличии в нем примеси гафния в пределах 10-5%, недопустим к применению.

Подобные примеры можно приводить и с лекарственными препаратами, продукцией парфюмерной, пищевой и текстильной промышленности. Наличие вредных примесей в них может негативно повлиять на состояние здоровья людей. Поэтому без применения физических и физико-химических методов анализа сложно контролировать выпуск продукции, проверить качество поступившей в продажу продукции, а значит и разрешать возникающие спорные вопросы между покупателем и продавцом.

Особенное значение приобрели физико-химические методы анализа для решения задач экологической направленности, а также в медицинской и судебно-экспертной практике, так как только с их помощью можно быстро получить достоверные результаты.

Нельзя обойти стороной применение физических и физико-химических методов анализа в военном деле и гражданской обороне. Методы, реализованные в средствах радиационной, химической и биологической разведки позволяют оперативно проводить проверку зараженности атмосферы, техники, имущества, продуктов питания и идентифицировать токсичные вещества. Войсковые газоанализаторы позволяют определять в атмосфере токсичные вещества в концентрациях до 10-5%. Индикаторы для определения сильнодействующих ядовитых веществ (СДЯВ, табл. 1) и токсичных примесей в испарениях ракетного топлива реагируют на концентрации10-5-10-7%, что многократно превышает предельно-допустимые нормы.

Таблица 1

Предельно допустимые нормы концентраций

сильнодействующих ядовитых веществ в атмосфере

Примечание. В таблице приведены значение пороговых токсодоз для взрослых людей, для детей - в 4-10 раз меньше.

Важной задачей физических и физико-химических методов анализа является также разработка экспресс методов обнаружения и количественного определения отдельных элементов в составе выпускаемой продукции. Всё перечисленное активизировало развитие аналитического приборостроения, инициировало разработку методов автоматизации контроля химико - технологических процессов, связанных с производством продукции и обеспечения безопасности жизнедеятельности людей. Современное лабораторное аналитическое оборудование позволяет быстро выявить изменения в продукции предназначенной для длительного хранения или, хранящейся с нарушением установленных требований, а также разрешить возникающие спорные вопросы между производителем и потребителем.

1.3 Классификация физико-химических методов анализа

К наиболее востребованным в научной, производственной и социальной практике физическим и физико-химическим методам относятся спектральные, электрохимические и хроматографические методы анализа, рис.2. Они отличаются большим разнообразием, как по принципу действия, так и по технике исполнения в пределах каждого метода и для их изучения потребуется значительно больше времени, чем выделено для учебной дисциплины. Поэтому на занятиях будут рассмотрены приемы лишь тех методов, которые нашли наиболее широкое применение на практике, а также изучены устройства и приборы, используемые в лабораториях и на химических предприятиях для контроля химико-технологических процессов.

1.3.1 Спектрометрические методы анализа

Среди перечисленных групп (см. рис.2) обширной по числу методов является группа спектрометрических методов анализа. В отдельных литературных источниках, авторы в зависимости от решаемых задач, спектрометрические методы называют оптическими, либо фотометрическими. Ошибки в этом нет, так как в любом случае используется свойство атомов и молекул определяемого вещества поглощать, отражать или рассеивать электромагнитное излучение, которое регистрируется приборами

Рис 2. Схема классификации физических и физико - химических методов анализа

Спектрометрические методы предоставляют широкие возможности для получения аналитических сигналов в различных областях спектра электромагнитного излучения - это г-лучи, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое (УФ), видимое и инфракрасное излучение, а также микроволновые и радиоволновые области спектра. Энергия квантов, перечисленных видов излучения, охватывает очень широкий диапазон энергии от 108 до 10-6 эВ, соответствующий диапазону частот от 1020 до 106 Гц.

Природа взаимодействия столь различающихся по энергии квантов с веществом принципиально разная, этим объясняется большое число разнообразных спектрометрических методов анализа. Для решения разнообразных аналитических задач наибольшее значение имеют спектральные методы анализа, оперирующие с излучением видимого, ИК и УФ диапазонов. Эта группа относится к оптическим (фотометрическим) методам анализа и включает:

спектро - фотометрический и фотоколориметрический методы, нефелометрический метод;

абсорбционно - оптический метод;

люминесцентный метод;

поляризационно - оптический метод;

рефрактометрический метод.

В оптических (фотометрических) методах анализа используется связь между составом системы и ее оптическими свойствами: светопоглощением; светорассеянием; преломлением света; вращением плоскости поляризации плоско поляризованного света; вторичным свечением вещества и т.д.

Спектрофотометрический и фотоколориметрический анализы основаны на способности окрашенных растворов, поглощать ультрафиолетовый, видимый или инфракрасный свет. Степень поглощения излучения зависит от концентрации вещества в растворе (абсорбционная спектроскопия).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11