МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАІНИ

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт з курсу «МОНІТОРИНГ ДОВКІЛЛЯ»

для студентів денної та заочної форм навчання спеціальності 6.040106 «Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування»,

( частина 1)

Затверджено на засіданні

кафедри екології

протокол № 11 від 12.05. 2010

Укладачі: Гончаренко Т.П.

ЧЕРКАСИ ЧДТУ - 2010

Укладачі: Т.П.Гончаренко, кандидат хімічних наук, доцент кафедри екології Черкаського державного технологічного університету

Рецензент: О.О.Мислюк, кандидат хімічних наук, доцент кафедри екології Черкаського державного технологічного університету

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Моніторинг довкілля для студентів спеціальності 6.040106 «Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування». / Укл.: Т.П.Гончаренко. – Черкаси: ЧДТУ, 2010. – 100 с.

ВСТУП

Вирішення екологічних проблем, розробка стратегії економічної безпеки й стійкого розвитку раціонального природокористування базується на науковій концепції екологічної безпеки, важливу роль в якій відіграє екологічний моніторинг навколишнього природного середовища, що забезпечує регулярну оцінку й прогнозування стану середовища та умов функціонування екосистем планети.

Ідея створення екологічного моніторингу довкілля виникла наприкінці 60-х років. Провідні фахівці та вчені багатьох країн усвідомили, що необхідно скоординувати зусилля з метою збирання, збереження й переробки даних про стан навколишнього середовища. Термін «моніторинг довкілля» був запропонований напередодні проведення в 1972 р. у Стокгольмі конференції з навколишнього середовища під егідою ООН. Під цим терміном слід розуміти комплексну систему спостережень, оцінювання й прогнозування змін стану навколишнього середовища під впливом антропогенних факторів. Термін «моніторинг» є доповненням до терміна «контроль стану навколишнього середовища».

Контроль за станом природного середовища є однією з найважливіших ланок у розв’язанні багатьох екологічних проблем, зокрема охорони водного басейну, повітря, грунтів. Основним джерелом інформації про стан об’єктів природного середовища є аналіз, тому особливого значення набуває правільность визначення великої кількості хімічних інгредієнтів, наявних у цих об’єктах. Багато з них мають природне походження, вони завжди присутні у природних екосистемах і є необхідними для їх нормального функціонування. В той час же дуже велика кількість неорганічних і органічних сполук надходить до навколишнього середовища внаслідок дії антропогенного фактора. Такі сполуки у більшості випадків мають токсичні властивості, і їх необхідно визначати на рівні дуже низьких, гранично допустимих концентрацій, часто з використанням різних методів концентрування. До того ж, багатокомпонентний хімічний склад природних екосистем потребує ретельного вибору найбільш ефективних методів аналізу та високої майстерності виконання аналітичних досліджень. Їх результати є базою для створення банку даних, без яких неможливе науково обґрунтування здійснення технічних чи білологічних заходів, спрямованих на збереження або відтворення нормального екологічного стану.

Під час дослідження стану довкілля використовують сучасні методи дослідження, які поділяються на контактні і дистанційні методи. Дистанційними методами за допомогою зондів, авіації, космічних супутників визначають турбулентність потоків повітря, пилове забруднення повітря, вміст вологи в атмосфері, температуру, солоність і глибину вод відкритого океану, нафтове забруднення води, вміст гумусу у вертикальному розрізі грунту, товщину снігового покриву, стан рослинності.

Контактні методи аналізу поділяються на якісний і кількісний аналіз, який в свою чергу поділяють на хімічні, фізико-хімічні, фізичні та біологічні методи. Якісний аналіз часто передує кількісному визначенню речовин – забруднювачів. Загалом, вибір методу дослідження для визначення того чи іншого компонента залежить від потрібної точності аналізу, доступності методу для виконання, вмісту аналізованої речовини, хімічного складу досліджуваного об’єкта тощо.

Метою даних методичних вказівок є закріплення та поглиблення теоретичних знань, здобутих студентами на лекційних та практичних заняттях з дисципліни «Моніторинг довкілля», набуття навичок самостійної роботи з реактивами, розчинами та обладнанням, що використовується в аналітичної практиці при проведенні лабораторних досліджень різноманітних компонентів довкілля (води, грунтів, повітря, продуктів харчування), правільної оцінки получених результатів.

Дані методичні вказівки базуються на матеріалах власних досліджень автора з використанням та узагальненням різних літературних джерел вітчизняних і зарубіжних спеціалістів. У них наводяться методики лабораторних занять, які спрямовані на вивчення основних методів хімічного аналіза і аналітичної хімії, які застосовуються при визначенні екологічного стану повітря, води, грунтів, продуктів харчування,

Методичні вказівки складаються з трьох розділів курсу:

• якісний аналіз;

• кількісний аналіз;

• інструментальні методи аналізу;

У розділі «Якісний аналіз» поряд з аналітичними реакціями для визначення елементів, іонів, хімічних сполук звертається ува­га на реакції, які використовують для ідентифікації катіонів та аніонів, що входять до складу різних компонентів довкілля, а також реакції, за допомогою яких контролюють чистоту та допустимі межі домі­шок цих засобів.

У розділах «Кількісний аналіз» та «Інструментальні методи аналізу» хімічні та інструментальні методи кількісного аналізу роз­глядаються стосовно можливості їх використання для аналізу не­органічних і органічних сполук, що входять до складу різних компонентів довкілля.

Кожна тема всіх розділів містить:

• теоретичний матеріал, який акцентує увагу студента на ос­новних положеннях теми;

• лабораторні роботи, що розкривають можливості методу аналізу, що вивчається;

• довідникові відомості;

• контрольні питання і завдання з кожної теми, які дозволя­ють контролювати засвоєння вивченого матеріалу.

Методичні вказівки дають змогу засвоїти теоретичний курс «Моніторингу довкілля» та оволодіти основними прийомами і навичками практичної роботи в лабораторії.

Методичні вказівки складено для студентів вищих на­вчальних закладів, які навчаються спеціальності з екологічного напрямку, а також для тих, хто вивчає курс «Моніторинг довкілля».

Частина I

1 Якісний аналіз

Якісний аналіз — це процес ідентифікації речовини, що дозволяє встановити з яких хімічних елементів складається досліджувана проба, які іони, функціональні групи або молекули входять до її складу. При вивченні невідомої речовини спершу виконують якісний аналіз, а потім — кількісний. У залежності від складу досліджуваної суміші розрізняють: аналіз неорганічних ре­човин, який включає визначення катіонів та аніонів; аналіз ор­ганічних речовин, що підрозділяється на елементний аналіз — від­криття і визначення елементів та функціональний аналіз — аналіз функціональних груп, які складаються з декількох хімічних еле­ментів і мають певні властивості; молекулярний — аналіз окремих хімічних сполук.

Головною метою якісного аналізу є відкриття в досліджуваній пробі окремих катіонів, функціональних груп або елементів, які входять до її складу з використанням хімічних, фізичних і фізико-хімічних методів аналізу.

У хімічних методах якісного аналізу використовують характерні якісні аналітичні реакції, які переводять досліджувані іони в сполуку, що має ряд характерних властивостей: колір, запах, агре­гатний стан. Речовину, яку використовують для проведення якіс­ної аналітичної реакції, називають реагентом.

Хімічні методи характеризуються високою селективністю, про­стотою виконання, надійністю, але чутливість їх невисока: 10 ^-5 – 10 ^-6 моль/дм³. У тих випадках, коли потрібна більш висока чутли­вість, вживають фізичні або фізико-хімічні методи аналізу.

При виконанні якісного аналізу потрібна визначена маса про­би. У залежності від величини взятої для аналізу проби методи поділяються на: макро-, напівмакро-, мікро- та ультрамікрометоди якісного аналізу.

У макроаналізі використовують 0,5 - 1,0 г речовини, або 20 - 50 см³ розчину. Аналіз виконують у звичайних пробірках, хіміч­них стаканах, колбах. Осади відокремлюють фільтруванням через паперові фільтри.

У мікроаналізі використовують, як правило, від 0,010 до 0,001 г речовини і від 0,05 до 0,50 см³ розчину, реакції виконують крап­линним або мікрокристалоскопічним методами. У мікрокристалоскопічному методі про наявність досліджуваних іонів судять по кольору і формі кристалів, які утворилися, спостерігаючи їх під мікроскопом.

Напівмікроаналіз займає проміжне місце між макро- і мікро-методами. Для аналізу, як правило, використовують від 0,01 до 0,10 г сухої речовини або 0,5—5,0 см³ розчину. Аналітичні реакції виконують за допомогою крапельниць. Відділення твердої і рідкої фаз проводять за допомогою центрифуги. Найчастіше в аналітич­ній практиці використовують напівмікрометод.

1.1 Способи виконання аналітичних реакцій

Аналітичні реакції виконують сухим або вологим спо­собом. У першому випадку досліджувану пробу і аналітичний ре­агент беруть у твердому стані і піддають нагріванню до високої температури. До таких реакцій відносять:

• реакцію забарвлення полум'я — леткі солі деяких металів на платиновій або ніхромовій дротинці вносять у безбарвну частину полум’я пальника і спостерігають його забарвлення в характерні кольори;

• реакції утворення перлин бури — невелику кількість Na₂B₄O₇ сплавляють у петлі платинового або ніхромового дроту до утво­рення склоподібної маси; на неї кладуть декілька крупинок дослі­джуваної речовини і знову вносять у полум'я газового пальника; по характерному забарвленню перлини роблять висновок про на­явність відповідних іонів;

• реакції спікання з деякими сухими реагентами (Na₂CO₃, KClO₃, KNO₃) для одержання характерних забарвлених продуктів.

Реакції, які виконують сухим способом, носять допоміжний характер. Найчастіше їх використовують у попередніх випробу­ваннях.

Реакції, які виконують вологим способом, є основними в які­сному аналізі. Вони повинні супроводжуватись зовнішнім ефек­том: зміною забарвлення розчину, утворенням або розчиненням осаду, виділенням газу.

Аналітичні якісні реакції між електролітами проходять, як пра­вило, у водних розчинах, тому їх записують у скороченій іонній формі за такими правилами:

• для сильних електролітів записують тільки іони, які дають ефективні зіткнення, наприклад:

Ba²⁺ + SО₄^2- = BaSO₄

• слабкі електроліти, малорозчинні та газоподібні сполуки записують у молекулярній формі, наприклад:

BaCO₃ + 2CH₃COOH = Ba²⁺ + 2CH₃COO ^- + H₂O + CO₂