8.4: Гравіметрія твердих частинок

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 8.3: Гравіметрія випаровування
- 8.5: Проблеми

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Опади і випаровування гравіметричні методи вимагають, щоб аналіт, або якийсь інший вид у зразку, брав участь в хімічній реакції. Наприклад, при прямому осадженні гравіметричного аналізу ми перетворюємо розчинний аналіт в нерозчинну форму, яка випадає в осад з розчину. У деяких ситуаціях, однак, аналіт вже присутній у вигляді твердих частинок, який легко відокремити від його рідини, газу або твердої матриці. Коли таке поділ можливо, ми можемо визначити масу аналіта, не спираючись на хімічну реакцію.

Частинка - це будь-яка крихітна частина речовини, будь то пилинка, глобула жиру або молекула аміаку. Для гравіметрії твердих частинок нам просто потрібен метод збору частинок та баланс для вимірювання їх маси.

Теорія і практика

Існує два методи відокремлення аналіту твердих частинок від його матриці. Найпоширенішим методом є фільтрація, при якій ми відокремлюємо тверді частинки від їх газу, рідини або твердої матриці. Другий спосіб, який корисний для газових частинок, розчинених речовин і твердих речовин, є екстракція.

Фільтрація

Щоб відокремити тверді частинки від їх матриці, ми використовуємо гравітацію або застосовуємо всмоктування з вакуумного насоса або аспіратора, щоб витягнути зразок через фільтр. Тип фільтра, який ми використовуємо, залежить від розміру твердих частинок і матриці зразка. Фільтри для рідких зразків будуються з різних матеріалів, включаючи волокна целюлози, скловолокна, нітрат целюлози та політетрафторетилену (PTFE). Утримання частинок залежить від розміру пір фільтра. Фільтрувальні папери з целюлозного волокна варіюються в розмірі пор від 30 мкм до 2—3 мкм. Фільтри зі скловолокна, виготовлені з використанням хімічно інертного боросилікатного скла, доступні з розмірами пір від 2,5 мкм до 0,3 мкм. Мембранні фільтри, які виготовляються з різних матеріалів, включаючи нітрат целюлози та ПТФЕ, доступні з розмірами пор від 5,0 мкм до 0,1 мкм.

Для отримання додаткової інформації див. нашу попередню дискусію в цьому розділі про фільтрування осадів та обговорення в Главі 7 поділу на основі розміру.

Тверді аерозольні частинки збираються за допомогою або одноступінчастого, або багатоступінчастого фільтра. У одноступінчастої системі ми витягуємо газ через єдиний фільтр, який затримує частинки, більші за розмір пір фільтра. Для збору проб з газової магістралі розміщуємо фільтр безпосередньо в магістралі. Атмосферні гази відбираються за допомогою пробовідбірника великого обсягу, який використовує вакуумний насос для витягування повітря через фільтр зі швидкістю приблизно 75 м ³ /год. У будь-якому випадку ми можемо використовувати ті ж фільтруючі середовища для рідких зразків для збору аерозольних частинок. У багатоступінчастої системі серія фільтруючих блоків розділяє частинки на два або більше діапазони розмірів.

Частинки в твердій матриці відокремлюються за розміром за допомогою одного або декількох сит (рис. Template:index). Сита випускаються в різних розмірах сіток, починаючи приблизно від 25 мм до 40 мкм. Укладаючи разом сита різного розміру сітки, ми можемо виділити частинки в кілька вузьких діапазонів розмірів. Наприклад, використовуючи сита на малюнку Template:index}, ми можемо розділити тверду речовину на частинки діаметрами> 1700 мкм, діаметром від 1700 мкм до 500 мкм, діаметром від 500 мкм до 250 мкм та діаметром <250 мкм.

Рисунок Template:index. Три сита з розмірами сіток зліва направо 1700 мкм, 500 мкм та 250 мкм. Джерело: БМК (commons.wikimedia.com).

Видобуток

Фільтрація обмежує гравіметрію твердих частинок до твердих аналітів, які легко відокремити від їх матриці. Ми можемо розширити гравіметрію твердих частинок на аналіз аналітів газової фази, розчинених речовин та твердих речовин, які важко фільтрувати, якщо витягти їх відповідним розчинником. Після екстракції випаровуємо розчинник і визначаємо масу аналіта. Крім того, ми можемо визначити аналіт побічно, вимірюючи зміну маси зразка після того, як ми витягуємо аналіт.

Більш детальний огляд екстракцій, особливо твердофазних екстракцій, див. Розділ 7.

Інший метод вилучення аналіту з його матриці полягає в адсорбції на твердій підкладці, шляхом поглинання в тонку полімерну плівку або хімічну плівку, покриту на твердій підкладці, або шляхом хімічного зв'язування з відповідним рецептором, ковалентно пов'язаним з твердою підкладкою (Рисунок {{Template.index (ID:2)}). Адсорбція, поглинання та зв'язування відбуваються на межі розділу між розчином, який містить аналіт і поверхню субстрату, тонку плівку або рецептор. Хоча кількість витягнутого аналіту занадто мала для вимірювання за допомогою звичайного балансу, його можна виміряти за допомогою мікробалансу кварцового кристала.

Рисунок Template:index. Чотири можливі механізми твердотільного екстракції аналіту: (а) адсорбція на твердій підкладці; (б) поглинання в тонку полімерну плівку або хімічну плівку, покриту на твердій підкладці; (c) комплексоутворення метал-ліганд, в якому ліганд ковалентно пов'язаний з твердим субстратом за допомогою органічного троса; і (d) зв'язування антитіло-антигену, в якому рецептор ковалентно пов'язаний з твердим субстратом за допомогою органічного троса.

Вимірювання маси за допомогою кварцового кристалічного мікробалансу використовує п'єзоелектричний ефект [(а) Уорд, М.Д.; Баттрі, D.A. Science 1990, 249, 1000—1007; (б) Решітка, Дж.; Мартін, С.Дж.; Білий, Р.М. анальний. Хім. 1993, 65, 940A—948A; (c) Натерти, Дж.; Мартін, SJ; Білий, Р.М. анал. Хім. 1993, 65, 987—996А. Застосування змінного електричного поля через кварцовий кристал індукує коливальний коливальний рух у кристалі. Кожен кварцовий кристал вібрує з характерною резонансною частотою, яка залежить від властивостей кристала, включаючи масу на одиницю площі будь-якого матеріалу, нанесеного на поверхню кристала. Зміна маси після адсорбції, поглинання або зв'язування аналіту визначається шляхом моніторингу зміни характерної резонансної частоти кварцового кристала. Точна залежність між зміною частоти і маси визначається калібрувальною кривою.

Якщо ви володієте наручним годинником, є велика ймовірність, що його робота покладається на кварцовий кристал. П'єзоелектричні властивості кварцу були відкриті в 1880 році Поль-Жак Каррі і П'єр Каррі. Оскільки частота коливань кварцового кристала настільки точна, вона швидко знайшла застосування в збереженні часу. Перший кварцовий годинник був побудований в 1927 році в лабораторіях Bell Telephone, а Seiko представила перші кварцові наручні годинники в 1969 році.

Кількісні програми

Гравіметрія твердих частинок важлива при екологічному аналізі зразків води, повітря та ґрунту. Аналіз на зважені тверді речовини в пробах води, наприклад, здійснюється шляхом фільтрації відповідного обсягу добре перемішаного зразка через скловолоконний фільтр і сушіння фільтра до постійної маси при 103-105 ^о С.

Мікробіологічне тестування води також використовує гравіметрію твердих частинок. Одним із прикладів є аналіз на бактерії кишкової палички, при якому відповідний обсяг проби пропускають через стерилізований мембранний фільтр 0,45-мкм. Фільтр поміщають на стерилізовану абсорбуючу прокладку, насичену культивуючим середовищем і інкубують протягом 22—24 годин при 35 ± 0,5 ^o С. Коліформні бактерії ідентифікуються за наявністю окремих бактеріальних колоній, що утворюються протягом інкубаційного періоду (Рис. Template:index). Як і при якісному застосуванні осаджувальної гравіметрії, сигналом в даному випадку є візуальне спостереження за кількістю колоній, а не вимірювання маси.

Рисунок Template:index. Колонії калових бактерій кишкової палички з водопроводу. Джерело: Сьюзен Боєр. Фото люб'язно надано ARS-USDA (www.ars.usda.gov).

Загальні повітряні частинки визначаються за допомогою пробовідбірника великого обсягу повітря, оснащеного або целюлозним волокном, або фільтром зі скловолокна. Зразки з міських середовищ вимагають приблизно 1 години часу відбору проб, але зразки з сільського середовища вимагають значно довшого часу.

Для визначення кількості піску, мулу та глини у зразку використовуються розподіли зерен для відкладень та ґрунтів. Наприклад, зернистість в 2 мм служить межею між гравієм і піском. Розмір зерен для кордонів пісок — мул та мул — глина становить 1/16 мм та 1/256 мм відповідно.

Кілька стандартних кількісних аналітичних методів для сільськогосподарської продукції засновані на вимірюванні маси зразка після селективної екстракції розчинником. Наприклад, вміст сирого жиру в шоколаді визначається шляхом екстрагування ефіром протягом 16 годин в екстракторі Сокслета. Після завершення екстракції ефіру дозволяється випаровуватися, а залишок зважується після сушіння при 100 ^o С. Цей аналіз також може бути здійснений побічно шляхом зважування зразка до і після екстракції надкритичним СО ₂.

Кварцові кристалічні мікроваги, оснащені тонкоплівковими полімерними плівками або хімічними покриттями, знайшли численні кількісні застосування в екологічному аналі Повідомляються методи аналізу різноманітних газоподібних забруднювачів, включаючи аміак, сірководень, озон, діоксид сірки та ртуть. Також розроблені біохімічні гравіметричні датчики твердих частинок. Наприклад, був розроблений п'єзоелектричний імуносенсор, який показує високу селективність до сироваткового альбуміну людини, і здатний виявляти кількості мікрограм [Мурацугу, М.; Охта, Ф.; Мія, Ю.; Hosokawa, T.; Куросава, С.; Камо, Н.; Ikeda, H. Хім. 1993, 65, 2933—2937].

Кількісні розрахунки

Результатом кількісного аналізу методом гравіметрії твердих частинок є лише співвідношення, використовуючи відповідні одиниці, кількості аналіту щодо кількості зразка.

Приклад Template:index

Проба води 200,0-мл фільтрується через попередньо зважений фільтр зі скловолокна. Після висихання до постійної маси при 105 ^о С виявляється, що фільтр збільшився в масі на 48,2 мг. Визначте загальну кількість зважених речовин зразка.

Рішення

Один проміле еквівалентний одному мг аналіту на літр розчину; таким чином, загальна суспензія для зразка становить

$\frac{48.2 \ \mathrm{mg} \text { solids }}{0.2000 \ \mathrm{L} \text { sample }}=241 \ \mathrm{ppm} \text { solids } \nonumber$

Оцінка гравіметрії твердих частинок

Масштаб роботи та межа виявлення для гравіметрії твердих частинок можуть бути розширені за межі інших гравіметричних методів шляхом збільшення розміру зразка, взятого для аналізу. Зазвичай це неможливо для інших гравіметричних методів, оскільки важко маніпулювати більшим зразком за допомогою окремих етапів аналізу. Однак при гравіметрії твердих частинок частина зразка, яка не є аналітом, видаляється під час фільтрації або екстракції. Отже, гравіметрія твердих частинок легко поширюється на аналіз аналітів рівня слідів.

За винятком методів, які спираються на мікробаланс кристалів кварцу, гравіметрія твердих частинок використовує ті ж баланси, що і інші гравіметричні методи, і здатна досягти аналогічних рівнів точності та точності. Оскільки гравіметрія твердих частинок визначається з точки зору маси самої частинки, чутливість аналізу задається чутливістю балансу. Вибірковість, з іншого боку, визначається або розміром пор фільтра, або властивостями фази екстракції. Оскільки це вимагає одного етапу, гравіметричні методи твердих частинок, засновані на фільтрації, як правило, вимагають менше часу, праці та капіталу, ніж інші гравіметричні методи.