4621

- 1 -

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова»

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА В БИОТЕХНОЛОГИИ

Методические указания к лабораторным работам

для студентов по направлению подготовки 19.03.01 - Биотехнология,

профиль – Промышленная экология

Воронеж 2017

2

УДК 544.77

Бельчинская Л.И. Инструментальные методы анализа в биотехнологии [Текст]: методические указания к лабораторным работам для студентов по направлению подготовки 19.03.01 - Биотехнология, профиль – Промышленная экология / Л. И. Бельчинская, Новикова Л.А., Дмитренков А.И.; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им.Г.Ф. Морозова». – Воронеж, 2017. – 40 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им.Г.Ф. Морозова»

Рецензент: канд. хим. наук, доц. кафедры неорганической химии и химической технологии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Ю.С. Перегудов

Научный редактор: д-р техн. наук, проф. Л. И. Бельчинская

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

Техника безопасности при выполнении лабораторных работ ………………………………

4

Лабораторная работа № 1. Метрологическая характеристика методов анализа по правильности расчета………………………………………………………………………………

7

Лабораторная работа № 2. Определение концентрационной зависимости в растворах электролитов методом прямой потенциометрии……………………………………………..

20

Лабораторная работа № 3. Определение содержания ионов металлов фотоколориметрическим метдом…………………………………………………………………...........................

30

Лабораторная работа № 4. Изменение биоэлектрической реакции сеянцев и черенков хвойных и лиственных пород деревьев………………………………………………………..

40

4

Правила работы в химической лаборатории

Перед лабораторной работой изучите теоретический раздел и описание лабораторной работы. Покажите преподавателю конспект теоретической и практической части лабораторной работы. Сдайте преподавателю допуск для проведения лабораторной работы.

Уясните технику выполнения лабораторной работы.

Всоответствии с техникой безопасности запрещается:

брать реактивы больше требуемого количества;

неизрасходованные или взятые в избытке реактивы возвращать обратно

всклянки (их надо сдать лаборанту);

загромождать рабочее место (во время работы на лабораторном столе должны находиться только необходимые приборы, реактивы и лабораторная тетрадь);

уносить приборы, реактивы общего пользования на свое рабочее

место.

путать пробки от склянок.

принимать пищу в химической лаборатории.

работать с включенными токоприемниками одному.

работать в химической лаборатории в неаккуратно застегнутой одежде, с распущенными волосами.

нагревать на открытом огне горючие жидкости.

сливать горячие растворы в толстостенную посуду.

Необходимо выполнять следующие требования.

Перед началом работы следует ополоснуть чистую посуду дистиллированной водой над раковиной, затем при необходимости высушить еѐ.

После окончания работы следует тщательно вымыть посуду, кюветы и вытереть фильтровальной бумагой корзину для кювет.

Склянки и реактивы должны находиться в определенном месте, их нельзя переносить на другие столы.

Следует работать без лишней торопливости, не проливать и не просыпать реактивы, если все же это случилось, нельзя сливать загрязненный реактив обратно в склянку с чистым реактивом, а следует собрать его и передать лаборанту; стол (или другой запачканный предмет) нужно вымыть и вытереть.

Бросать бумагу, бытовое стекло и другие предметы можно только в специальные сосуды и урны.

Если во время работы будет пролита в большом количестве кислота или другой раствор, нужно тотчас сообщить о случившемся лаборанту.

5

Удалять растворы нужно быстро, так как эти реактивы портят стол и другие предметы, и осторожно, чтобы не прожечь одежду и не повредить руки.

При всех несчастных случаях необходимо тотчас обращаться к лаборанту или преподавателю.

Внимательно наблюдать за ходом опыта, отмечая и записывая каждую его особенность (выпадение и растворение осадков, изменение окраски, температуры и т.д.).

Расходовать для осуществления химических реакций то количество реактивов, которое рекомендовано в указаниях по выполнению опыта, а если нет специальных оговорок – минимальное.

Работы с вредными веществами проводить только под тягой. Концентрированные кислоты и щелочи наливать осторожно в вытяжном шкафу; не уносить их на свои рабочие столы.

Если случайно прольете кислоту или щелочь, то быстро смойте их интенсивной струей воды из водопроводного крана, а потом обратитесь к дежурному лаборанту и по его указанию приведите в надлежащий порядок свое рабочее место.

Не выливать в раковину отработанные концентрированные кислоты и щелочи, а пользоваться для этого специально отведенной посудой, установленной под тягой. Отработанные металлы складировать в специальную емкость. Бумагу и остатки твердых веществ бросать в урну.

При работе постоянно следить за тем, чтобы реактивы (особенно кислоты, щелочи) не попадали на лицо, руки, одежду.

При нагревании реактивов или жидкостей не наклоняться над сосудом во избежание попадания брызг на лицо, одежду, обувь.

При нагревании жидкостей в колбе не держите ее отверстием к себе или в

сторону соседа.

Не нюхайте выделяющиеся газы, близко наклоняясь к сосуду. Если нужно понюхать газ, то следует сделать это осторожно, слегка направляя рукой поток воздуха к себе.

В случае ожога (пламенем горелки или горячим предметом) обожженное место смочить крепким раствором марганцовокислого калия. Можно приложить ватку, смоченную жидкостью от ожога.

При разбавлении щелочей, кислот и т.п. веществ, а также при мытье посуды с веществами, разъедающими кожу рук, обязательно надевать резиновые перчатки.

В конце работы уберите рабочее место, выключите воду, электроприборы.

6

При работе с электроприборами необходимо соблюдать следующие правила.

Работу с приборами можно начинать только после тщательного ознакомления с инструкцией по их эксплуатации.

Включать приборы только в сеть переменного тока с напряжением 220 В.

Электроприборы должны располагаться на лабораторном столе таким образом, чтобы химические реактивы не попадали на них, а также в электрическую розетку.

Если произошло замыкание электроустановки или возник пожар, необходимо немедленно обесточить прибор. Тушить пожар следует песком и огнезащитной тканью.

Приборы должны иметь рабочую изоляцию, элемент для заземления.

В электроприборах имеются элементы, находящиеся под напряжением, поэтому запрещается самостоятельно вскрывать и ремонтировать их, а также работать с неисправными приборами.

После окончания работы необходимо отключить прибор от сети

7

Лабораторная работа №1

Метрологическая характеристика методов анализа по правильности расчета

Теоретическая часть

1. Основные понятия метрологии химического анализа

Метрология (от греч. metron – мера и logos – слово, учение) наука об измерениях и методах достижения их единства и требуемой точности. Один из основных разделов метрологии посвящен методам определения погрешности измерений и созданию эталонов. До недавнего времени широкое распространение имел термин «ошибка измерения». По ГОСТ 16263-70 этот термин относится к категории нерекомендуемых. Теория погрешности измерений основана на использовании ап-

парата теории вероятности и математической статистики.

Метрологическими характеристиками методик анализа помимо погрешности являются:

1.правильность;

2.воспроизводимость;

3.интервал определяемых содержаний;

4.чувствительность;

5.предел обнаружения или предел определения (при определении микро-

концентраций).

Нельзя не отметить также, что в результате исследований на стыке прикладной математики и экспериментальной химии возникла новая отрасль науки, получившая название хемометрика. Наряду с рассмотрением погрешностей и других вопросов метрологии в хемометрике изучают такие разделы, как планирование экс-

перимента и оптимизация, распознавание образов и т.д.

2. Классификация погрешностей

Погрешностью измерения называют отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешности могут быть классифицированы по нескольким признакам. При классификации по способу выражения различают абсолютные иотносительные nогрешности, по характеру проявления – систематические и случайные, по спо-

собу обработки результатов параллельных определений – средние арифметиче-

ские и средние квадратические и т.д.

8

Абсолютную погрешность анализа хi определяют из соотношения:

где хi – результат анализа; μ – истинное содержание анализируемого компонента в пробе.

Отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряе-

мой величины называют относительной погрешностью измерения.

Обычно относительную погрешность выражают в процентах, хотя могут быть использованы и доли единицы:

Истинное содержание анализируемого компонента в пробе остается неизвестным вследствие погрешности анализа. В практических расчетах вместо истинного используют так называемое действительное содержание, равное среднему арифметическому нескольких параллельных определений.

Погрешность измерения зависит от многих факторов: от класса точности применяемых приборов, методики измерения, индивидуальных особенностей наблюдателя и т.д.

Погрешность измерения, которая при повторных измерениях остается постоянной или закономерно изменяется, называют систематической погрешностью.

Знак данной систематической погрешности от опыта к опыту не меняется. Систематическая погрешность или только занижает, или только завышает результат анализа.

Погрешность, которая при повторных измерениях изменяется случайным обра-

зом, называют случайной погрешностью измерения.

Знак случайной величины в серии измерений не остается постоянным и от опыта к опыту меняется.

Грубые погрешности, существенно превышающие ожидаемые при данных условиях, называют промахами.

Они обычно бывают следствием грубых оперативных погрешностей аналитика (потеря раствора с осадком при фильтровании, потеря осадка при прокаливании или взвешивании и т.д.).

9

1. Систематические погрешности

Источники и причины появления систематических погрешностей довольно многочисленны. По характеру проявления можно выделить несколько видов систематических погрешностей:

1.постоянные;

2.прогрессивные и др.

Наиболее часто встречаются постоянные систематические погрешно-

сти, сохраняющие свое значение длительное время.

Прогрессивные систематические погрешности непрерывно возрастают или убы-

вают. В зависимости от причин появления систематических погрешностей принято различать:

1.инструментальные погрешности;

2.погрешности метода;

3.субъективные погрешности и некоторые другие.

Инструментальные погрешности связаны с использованием в анализе различных приборов. Применяемые в аналитической практике приборы характеризуются определенным классом точности, и часто удается снизить инструментальную погрешность определения при использовании приборов с более высоким классом точности. Источником инструментальной погрешности может быть применение непроверенных разновесов, некалиброванной мерной посуды, смещение призмы спектрофотометра, темновой ток фотоэлементов и т.д. Инструментальные погрешности в принципе можно измерить и учесть. Часто эти погрешности можно существенно уменьшить введением поправок, которые находят при калибровке или сравнении полученных результатов с показаниями другого прибора, имеющего более высокий класс точности и заведомо меньшую инструментальную погрешность.

Процессы износа, старения и разрегулировки приборов внешне обычно не проявляются, и для поддержания работоспособности аппаратуры на необходимом уровне проводятся поверки, градуировки и т.д. Поверка измерительных и иных приборов осуществляется метрологической службой на законодательной основе.

Погрешности метода зависят от свойств анализируемой системы, таких, как растворимость осадка при осаждении или промывании, соосаждение, неустойчивость фотометрируемых растворов во времени, неполнота протекания реакции и т.д.

Систематическую погрешность вызывает также применение реактива, содержащего определяемый компонент или мешающую примесь. Тщательная предварительная очистка реактива уменьшает эту погрешность практически до нуля. Методические погрешности часто остаются необнаруженными.

10

Обнаружение и устранение систематических погрешностей основывается на критической оценке всех операций в ходе анализа с точки зрения возможных помех.

Следует отметить также так называемые погрешности предубеждения. Они проявляются, например, в том, что при повторных определениях аналитик из двух равновероятных показаний прибора при отсчете на глаз выберет то значение, которое находится ближе к предыдущему результату.

Как правило, систематические погрешности должны быть обнаружены и учтены в первую очередь, поскольку оценка случайной погрешности имеет смысл в отсутствие систематической или, если она превышает систематическую.

Наиболее распространенными практическими приемами обнаружения систематической погрешности являются выполнение анализа независимым методом, проведение холостого опыта, использование системы «введено-найдено» и ана-

лиз стандартных образцов.

Если при проведении анализа двумя или несколькими независимыми методами будут получены одинаковые результаты, можно полагать, что систематическая погрешность отсутствует и результаты анализа правильны. Если же результаты анализа будут существенно разными, и разница будет превышать разброс данных в каждом методе, то наличие систематической погрешности в каком-то или ка- ких-то методах очевидно. Однако установить наличие или отсутствие систематической погрешности еще недостаточно: необходимо определить ее значение. Более информативно в этом отношении проведение холостого опыта, использование так называемой системы «введено-найдено» и особенно проведение данным методом анализа стандартных образцов.

Холостой, или контрольный, опыт проводится параллельно или вслед за анализом пробы по той же методике с использованием тех же реактивов и приборов, но без введения в систему анализируемого вещества. Значение аналитического сигнала, полученного в результате холостого опыта, часто характеризует систематическую погрешность, и для получения правильного результата его обычно вычитают из аналитического сигнала пробы.

Удобным и часто применяемым в практике методом обнаружения систематической погрешности является сопоставление результатов анализа стандартного образца по данной методике с паспортными данными стандартного образца. Такое сопоставление рекомендуется проводить, по меньшей мере, для двух стандартных образцов, отличающихся содержанием определяемого компонента.

Стандартными образцами называют различные материалы, содержание определяемых элементов в которых известно с высокой степенью точности. Их применяют в различных аналитических методах для построения градуировочных графиков, а также для контроля правильности анализа, для объективной метрологической характеристики различных методов и т.д.