ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-КОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ИЗУЧЕНИИ МЕТОДОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Александрова А.В. 1

1Государственный социально - гуманитарный университет

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Данная работа посвящена особенностям использования информационно-коммуникационных технологий при обрабатывании экспериментальных данных и представлении графических результатов в том числе использование материала по тематике «методы физико-химического анализа». Актуальность темы заключена в том, что результаты исследований в области физико-химического анализа достаточно сложны и использование компьютерной техники позволяет облегчить расчеты и делать более наглядным графическое построение.

Цель работы заключается в демонстрации возможности использования различных программных продуктов применительно к конкретным задачам из области физической химии.

Для осуществления обозначенной цели выполняются следующие задачи:

Изучение литературы по теме исследования и составление литературного обзора.

Использование различных программ для решения задач из области физической химии и физико-химического анализа и представление их результатов:

Теоретическая часть

Обзор литературы по теме «Информационно-коммуникационные технологии в изучении методов физико-химического анализа»

До конца XIX в. основным методом изучения химических систем являлся препаративный метод, основанный на выделении из системы данного вещества различными способами (кристаллизация, перегонка и др.) и изучении его состава и свойств (оптических, магнитных, электрических, объемных и т.д.) Препаративный метод имеет большое значение для развития химии и широко применяется до настоящего времени, особенно в органической химии. Однако этот метод оказался недостаточным при изучении многих систем, таких, как растворы, расплавы, смолы, стекла и другие многокомпонентные системы. [1]

На базе учения о химическом равновесии был разработан новый метод исследования химических систем – метод физико-химического анализа. Этот метод основан на изучении зависимости свойств химической системы от факторов, определяющих ее равновесие. В качестве изучаемых свойств могут быть выбраны тепловые, объемные, электрические, магнитные, оптические и др. Особенно широкое применение находит метод исследования, основанный на изучении физических свойств системы от ее состава. Метод физико-химического анализа после М.В.Ломоносова широко использовался Д. И. Менделеевым и получил дальнейшее развитие в работах Я. Г. Вант-Гоффа, Д.П. Коновалова, И. Ф. Шредера, В. Ф. Алексеева и др. Особенно большой вклад в создание метода физико-химического анализа, как самостоятельного метода исследования, внесли Н. С. Курнаков и его ученики. Многочисленные работы Н. С. Курнакова по изучению металлических, органических и солевых систем показали, что метод физико-химического анализа является важным, а иногда и единственным методом исследования сложных систем. По определению Н. С. Курнакова метод физико-химического анализа есть «геометрический метод исследования химических превращений». В этом методе применяют геометрический анализ диаграмм, построенных в координатах физическое свойство – фактор равновесия (T, P, состав). Анализ таких диаграмм позволяет установить протекающие в системе качественные изменения, характер взаимодействия между компонентами, области существования и составы равновесных фаз.

Физико-химический анализ - метод исследования физико-химических систем, посредством которого устанавливают характер взаимодействия компонентов системы на основе изучения соотношений между её физическими свойствами и составом. Физико-химические методы анализа основаны на проведении реакций, конец которых определяется с помощью приборов, поэтому эти методы называются также инструментальными. Основы физико-химического метода анализа заложены в конце 19 в. Дж. Гиббсом, Д. И. Менделеевым, Я. Вант-Гоффом. Развитие этого метода обусловлено работами А. Ле Шателье, Г. Таммана, Х. Розебома и особенно Н. С. Курнакова и его школы. В физико-химическом анализе измеряют различные физические свойства систем, чаще всего температуры фазовых переходов и другие тепловые свойства (теплопроводность, теплоёмкость, тепловое расширение), электрические (электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость), оптические (показатель преломления, вращение плоскости поляризации света), плотность, вязкость, твёрдость и другое, а также зависимость скорости происходящих в системе превращений от её состава. Широко используют изучение исследуемых объектов посредством рентгеновского структурного анализа, микроскопической металлографии и др.[2]

Известно несколько десятков физико-химических методов анализа. Важнейшими физико-химическими методами анализа являются:

1) спектральные и другие оптические методы;

2) хроматографические методы;

3) электрохимические методы.[3]

Фотометрический метод анализа. Методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излучения анализируемыми веществами, составляют обширную группу абсорбционных оптических методов. При поглощении света атомы и молекулы анализируемых веществ переходят в новое возбужденное состояние. В зависимости от вида поглощающих частиц и способа трансформирования поглощенное энергии различают:

Атомно – обсорбционный анализ, основанный на поглощении световой энергии атомами анализируемых веществ.

Молекулярный обсорбционный анализ, т.е. анализ поглощения света молекулами анализируемого вещества в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (спектрофотометрия, фотокалориметрия, ИК-спектрометрия).

Анализ поглощения и рассеяния световой энергии взвешенными частицами анализируемого вещества (турбидиметрия, нефелометрия).

Люминесцентный (флуорометрический) анализа, основанный на измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами анализируемого вещества.

Все эти метода иногда объединяют в одну группу спектрохимических или спектроскопических методов анализа, хотя они и имеют различия.

Фотокалориметрия и спектрофотометрия основаны на взаимодействии излучения с однородными системами, и их обычно объединяют в одну группу фотометрических методов анализа.

Любые вещества поглощают электромагнитные колебания с определенной длиной волны. Некоторые вещества поглощают колебания с длинами волн от 400 до 700 нм (видимый свет) – такие вещества являются окрашенными. На измерении светопоглащения окрашенных веществ в видимой области спектра основан фотометрический анализ; это разновидность молекулярно – абсорбционной спектроскопии.

Если пропустить через раствор окрашенного вещества свет с интенсивностью I0, то после прохождения через раствор интенсивность уменьшится до It. Отношение It/I0=Т, характеризующее пропускание (поглощение) света и, отнесенное к толщине слоя в 1 см, называется коэффициентом пропускания. Эта величина может изменяться от 0 до 1, иногда ее выражают в процентах.

Светопоглощение характеризуют также оптической плотностью А: А=-lgТ или А=lg I0/It . Величина оптической плотности может принимать любые положительные значения от 0 до ∞; однако, современные приборы могут регистрировать изменение только от 0 до 2. Зависимость между оптической плотностью раствора с содержанием в нем окрашенного вещества выражается законом светопоглощения Бугера-Ламберта-Бера: А=ε·С·l , где l - толщина слоя раствора; ε - коэффициент поглощения, постоянная величина, зависящая от природы вещества, длины волны и температуры; С - концентрация раствора.

Если толщина слоя раствора выражена в см, а концентрация в моль/л, ε называют молярным коэффициентом светопоглащения. Закон Бера справедлив только для монохроматического излучения (то есть для света с данной длиной волны), для сред с постоянным показателем преломления, а также для таких сред, в которых с изменением концентрации вещества не происходит никаких химических превращений данного вещества.

Молярный коэффициент светопоглащения - мера чувствительности фотометрических методов. Чем больше ε, тем выше чувствительность метода, тем меньшую концентрацию вещества можно определить.

Физический смысл ε: при концентрации С=1 моль/л и толщине слоя l=1 см ε=А.

Графический смысл ε: ε=tgα, где α - угол наклона градуировочного графика зависимости А=f(C). Молярный коэффициент светопоглощения зависит от природы вещества (ауксохромных и хромоформных групп), от природы растворителя, рН среды и длины волны света. Он не зависит от концентрации и толщины поглощающего слоя.

Графическая зависимость между оптической плотностью раствора и длиной волны поглощаемого света называется спектром поглощения. По спектру поглощения выбирают рабочую длину волны для измерения светопоглощения, это обычно длина волны максимального светопоглащения λmах.

В фотометрическом анализе используют прямые и косвенные методы. К косвенным методам относится метод титрования.

В прямых методах используется зависимость аналитического сигнала от природы анализируемого вещества и его концентрации. Эти методы основаны на использовании стандартных образцов и стандартных растворов. Наибольшее распространение получили:

- метод градуировочного графика;

- метод добавок;

- метод дифференциальной фотометрии;

- метод молярного коэффициента поглощения.

Все фотоколориметрические методы анализа основаны на одном общем принципе. Световой поток проходит через кювету (или пробирку), наполненную окрашенным раствором. Прошедший через раствор световой поток воспринимается фотоэлементом, в котором световая энергия превращается в электрическую. Возникающий при этом электрический ток измеряют при помощи чувствительного гальванометра. Как показал А.Г. Столетов: сила электрического тока, возникающего при действии световой энергии на фотоэлементе, прямо пропорциональна интенсивности освещения.

Для определения этим методом концентрации исследуемого вещества измеряют оптическую плотность испытуемого раствора (Аисп) и эталонного раствора, концентрация которого известна (Аэтал). Расчѐт проводят по формуле

Основными преимуществами фотоколориметрических методов измерения интенсивности является быстрота и легкость определений при высокой точности.[4]

Хроматография – это метод разделения сложных смесей, основанный на распределении веществ между двумя фазами, одна из которых неподвижна, а другая – поток, движущийся через неподвижную фазу. Хроматография основана на многократном повторении актов сорбции и десорбции веществ при их перемещении в потоке подвижной фазы вдоль неподвижного сорбента. Для хроматографического разделения смесей веществ может быть использован любой механизм сорбции. В группу хроматографических методов анализа входят методы газовой и газожидкостной хроматографии, жидкостной распределительной хроматографии и др.

Электрохимические методы анализа основаны на существовании зависимости между составом анализируемого вещества и его электрохимическими свойствами. Электрохимические методы анализа, основанные на измерении электрической проводимости, потенциалов и других свойств, включают методы кондуктометрии, потенциометрии, полярографии, кулонометрии и др.

Электрохимические методы анализа основаны на использовании электрохимических свойств анализируемых веществ. К ним относятся следующие методы.

Электрогравиметрический метод - основан на точном измерении массы определяемого вещества или его составных частей, которые выделяются на электродах при прохождении постоянного электрического тока через анализируемый раствор.

Кондуктометрический метод - основан на измерении электрической проводимости растворов, которая изменяется в результате протекающих химических реакций и зависит от свойств электролита, его температуры и концентрации растворенного вещества.

Потенциометрический метод - основан на измерении потенциала электрода, погруженного в раствор исследуемого вещества. Потенциал электрода зависит от концентрации соответствующих ионов в растворе при постоянных условиях измерений, которые проводят с помощью приборов потенциометров.

Полярографический метод - основан на использовании явления концентрационной поляризации, возникающей на электроде с малой поверхностью при пропускании электрического тока через анализируемый раствор электролита.

Кулонометрический метод - основан на измерении количества электричества, израсходованного на электролиз определенного количества вещества. В основе метода лежит закон Фарадея.

Физико-химические методы позволяют определять малое содержание компонентов в анализируемых объектах. Они снизили предел обнаружения до 10-5 –10-10% (в зависимости от метода анализа). Химические методы анализа (титриметрический и гравиметрический) не позволяют обнаружить такое количество определяемого компонента. Их предел обнаружения – 10-3 %.[5] Физико-химические методы позволяют проводить анализ достаточно быстро. Экспрессность этих методов дает возможность корректировать технологический процесс. Инструментальные методы анализа позволяют автоматизировать сам процесс анализа, а некоторые приборы – проводить анализ на расстоянии. Анализ можно проводить с помощью физико-химических методов без разрушения анализируемого образца и в какой-то определенной точке. Достоинством физико-химических методов анализа является использование ЭВМ как для расчета результатов анализа, так и для решения других аналитических вопросов. Недостатки физико-химических методов анализа заключаются в том, что погрешность анализов составляет 2–5 %, что выше погрешности классических химических методов. Для применения физико-химических методов требуются дорогостоящие приборы, эталоны и стандартные растворы.

Общепризнано, что фазовые диаграммы являются не только инструментом, помогающим в исследовании фазовых равновесий, но и представляют собой самостоятельный объект изучения. С увеличением мерности системы возникает необходимость представления фазового комплекса в виде пространственной диаграммы состояния. Развивающиеся в последние годы информационные технологии дают возможность производить не только сложные термодинамические расчеты, но и выполнять построение подобных геометрических моделей в виртуальном многомерном пространстве.[6]

Основной приём физико-химического анализа – построение диаграмм состав - свойство, диаграмм - состояния (состав – температура, состав – давление и т.п.) и их геометрический анализ. Поскольку аналитические выражения, описывающие фазовые равновесия, очень громоздки и лишь приближённо определяют области существования фаз, геометрический анализ диаграмм является наиболее общим приёмом, позволяющим судить о составе и границах существования фаз системы, не прибегая к их выделению из смеси и обычному химическому анализу. Это делает физико-химический анализ важным методом исследования систем из двух, трёх и многих компонентов – сплавов, минералов, растворов, карбидов, окислов, полупроводниковых и сверхпроводящих материалов, систем, образованных органическими соединениями, и др.

В основе физико-химического анализа лежат правила фаз и впервые введённые Н. С. Курнаковым принципы непрерывности и соответствия. Согласно принципу непрерывности, при непрерывных изменениях параметров состояния свойства системы изменяются также непрерывно (при условии, что число её фаз остаётся постоянным); при изменении числа фаз некоторые свойства изменяются скачком (претерпевают разрыв непрерывности). Согласно принципу соответствия, каждой фазе или совокупности фаз системы соответствует определённый геометрический образ (точка, линия, поверхность, объём) на диаграмме состав – свойство. Так, началу кристаллизации фазы (или фаз) соответствуют кривые (или поверхности) ликвидуса, над которыми расположена область существования одной жидкой фазы (раствора или расплава); концу кристаллизации соответствуют линии (или поверхности) солидуса, ниже которых существуют лишь твёрдые фазы.

При непрерывном изменении состава системы её компоненты могут образовать химическое соединение. Если оно не диссоциировано и имеет постоянный состав (дальтонид), на диаграммах состав – свойство наблюдается сингулярная точка. Образованию химического соединения переменного состава (бертоллида) соответствует пологий максимум на диаграммах состояния, в котором линии (или поверхности) ликвидуса и солидуса касаются; в этом случае на диаграмме состав – свойство сингулярная точка отсутствует.

Применение правила фаз Гибба к двухкомпонентным системам. Для двухкомпонентной или бинарной системы, на равновесие в которой из внешних факторов оказывают влияние только давление и температура, правило фаз Гиббса выражается уравнением С = 4 – Ф. Следовательно, в двухкомпонентной системе число фаз, находящихся в равновесии не может быть больше четырех (с =0, если Ф = 4), а максимальное число независимых параметров состояния системы, т.е. термодинамических степеней свободы, равно трем – давление, температура и концентрация Х₁ одного из компонентов, выраженная в массовых долях или процентах (С = 3, если Ф = 1). При выбранных параметрах состояния системы (Р, Т, Х₁) состояние двухкомпонентной системы и равновесие фаз в ней можно охарактеризовать с помощью трехмерной пространственной фазовой диаграммы, так как при выбранном способе выражения состава на одной оси можно отложить концентрации обоих компонентов ( Х₂ = 1 – Х₁). Однако для характеристики состояния двухкомпонентных систем чаще пользуются плоскими диаграммами состояния, построенными в координатах температура – состав или давление – состав, представляющими собой сечения пространственной диаграммы при Р= const или T=const.

При растворении газов в жидкостях устанавливается равновесие между жидкой фазой, содержащей растворитель и растворенный газ, и газовой фазой, содержащей данный газ и пары растворителя. Если растворитель относительно мало летуч, то устанавливается равновесие между раствором и практически чистым растворяемым газом. Растворимость вещества определяется его концентрацией в насыщенном растворе. [7]

Зависимость растворимости газов в жидкостях от природы газа и растворителя. Растворимость газов повышается при химическом взаимодействии растворяемого газа с растворителем. В присутствии электролитов растворимость газов в жидкостях уменьшается. Уменьшение растворимости газов в присутствии солей называется высаливанием. Высаливающее действие иона повышается с ростом заряда и уменьшается с увеличением радиуса иона. Уменьшение растворимости газов в присутствии электролитов объясняется в основном тем, что ионы притягивают молекулы воды и не притягивают неполярные и слабо поляризуемые молекулы газов, вследствие чего увеличивается фугитивность растворенного газа.

Зависимость растворимости газов в жидкостях от давления. Если газ химически не взаимодействует с растворителем, то зависимость растворимости газа в жидкости от давления выражается законом Генри. Закон Генри может быть выражен следующим уравнением:

Закон Генри справедлив только тогда, когда растворение газа в жидкости не связано с процессами диссоциации или ассоциации молекул растворенного газа. При наличии диссоциации или ассоциации молекул закон Генри следует применять отдельно к каждому роду молекул, концентрации которых не произвольны, а связаны между собой законами химического равновесия и могут быть выражены через общую концентрацию газа в растворе. В этом случае общая концентрация газа уже сложным образом связана с давлением газа над раствором. Однако в ряде случаев пропорциональность сохраняется, и тогда закон Генри остается справедлив. Расчет растворимостей газов по этому уравнению при высоких давлениях приводит к ошибкам. В этом случае давление нужно заменить фугитивностью. С изменением давления газа растворимость различных газов меняется неодинаково, и подчинение закону Генри наблюдается лишь в области невысоких давлений. Различие в растворимости определяется взаимным влиянием отдельных газов друг на друга в газовой фазе и взаимным влиянием растворенных газов в жидкой фазе. При низких давлениях, когда взаимное влияние отдельных газов невелико, закон Генри справедлив для каждого газа, входящего в газовую смесь, в отдельности.

Зависимость растворимости газов в жидкостях от температуры. При небольших давлениях растворимость газов в жидкостях с повышением температуры обычно уменьшается. При высоких давлениях растворимость газов в жидкостях с ростом температуры может и увеличиваться. Так, например, растворимость водорода, гелия, неона и других газов в органических растворителях и водорода в жидком аммиаке увеличивается при повышении температуры. В ряде случаев растворимость газов в жидкостях с ростом температуры проходит через минимум.

Различием в составах пара и жидкости, из которых пар получен, пользуются для разделения жидких смесей методом перегонки. Различают простую и фракционную. Простая – непрерывное нагревание жидкой смеси с отводом образующегося пара и его конденсации. Таким образом, исходную смесь можно разделить на две жидкости, одна из которых относительно богаче компонентом А, а другая компонентом В. Простая перегонка более или менее эффективна при резком различии температур кипения компонентов. Для разделения смесей с получением чистых компонентов применяется фракционная перегонка состоит из последовательного проведения нескольких операций:

Нагревание исходной жидкой смеси до кипения для получения некоторого количества пара;

Конденсация полученного пара;

Испарение конденсата для получения пара нового состава.

На практике смеси обычно разделяют непрерывной фракционной перегонки, называемой ректификацией, в ректификационных колоннах периодического или непрерывного действия. В ректификационных колоннах процессы испарения жидкости и конденсации пара осуществляется без выделения отдельных фракций. Если две жидкости могут образовывать азеотропную смесь, то независимо от состава исходного раствора его нельзя разделить на два чистых компонента методом перегонки. В таких системах любую смесь, кроме азеотропной, методом фракционной перегонки можно разделить на один из чистых компонентов и азеотропную смесь. В системах с минимальной температурой кипения азеотропной смеси в парообразную фазу будет уходить азеотропная смесь, а оставшаяся жидкость будет представлять собой тот чистый компонент, которым была богаче исходная жидкая смесь по сравнению с азеотропным раствором. В системах с максимальной температурой кипения азеотропной смеси в парообразную будет уходить чистый компонент, которым была богаче исходная жидкая смесь по сравнению с азеотропным раствором, а оставшаяся жидкость будет представлять собой азеотропную смесь.

Для разделения азеотропных смесей применяют специальные метода, связанные с изменением температуры и давления или с использованием третьего компонента, образующего гетероазеотроп с одним из компонентов азеотропной смеси. Гетероазеотроп – гетерогенная жидкая система состоящая из двух ограничеснно смещивающихся жидкостей, общий состав которой совпадает с составом пара, находящегося в равновесии с двумя жидкими фазами. В системах с гетероазеотропом пар имеет состав, промежуточных между составами равновесных с ним жидких фаз. Гетероазеотропная смесь имеет наинизшую температуру кипения по сравнению с температурами кипения смесей любого другого состава, и ее нельзя разделить методом перегонки на чистые компоненты.

Способность ограниченно смешивающихся жидкостей образовывать гетероазеотропы используются для разделения азеотропных смесей в системах с неограниченно взаимной растворимостью компонентов. В системах с ограниченной взаимной растворимостью жидкостей второго типа гетероазеотропы не образуются. Такие системы характеризуются тем, что состав пара равновесного с жидкими растворами не является промежуточным между составами жидких фаз. В рассматриваемой системе во всем интервале концентраций пар богаче жидких растворов компонентом В, имеющим более низкую температуру кипения при заданном давлении. В таких системах температура трехфазной системы не является самой низкой температурой, при которой существует равновесие пар – жидкость. Систему с ограниченно взаимной растворимостью жидкостей второго типа методом фракционной перегонки можно разделить на два чистых компонента.

Многие вещества при нагревании разлагаются при температурах более низких, чем их температуры кипения. Перегонку таких веществ проводят в вакууме или совместно с жидкостью, с которой они не смешиваются. На практике широко применяется перегонка с водяным паром – перегонка совместно с водой практически нерастворимых в ней различных веществ, особенно органических соединений. Этот метод основан на том, что системы, состоящие из взаимно нерастворимых компонентов, кипят при температурах более низких, чем температуры кипения чистых компонентов.

Модели фазовых систем бывают геометрическими (графическими) и аналитическими (математическими). Физико-химический анализ с его фазовыми диаграммами является масштабным примером графического метода и наглядной иллюстрацией его возможностей. Графический способ открывает новые возможности изучения и анализа этих систем, что отмечал еще Н. С. Курнаков, называя ФХА «геометрическим методом исследования». Графический метод представления фазовых диаграмм может служить основой их геометрического моделирования, которое позволяет изучать и систематизировать фазовые системы априори в виде набора типовых геометрических моделей их диаграмм. Таким образом, геометрическое моделирование открывает принципиально новые возможности для исследования и анализа фазовых систем.

Следует также отметить, что методика геометрического моделирования применима не только для анализа диаграмм фазовых систем. Она пригодна для поиска любых оптимальных свойств в любых системах. В связи с этим геометрическое моделирование можно рассматривать не только в узком приложении к фазовым системам, но и в самом широком и общем плане, как геометрический метод системного поиска новых решений и оптимизации отдельных физико – химических задач. В этом плане геометрическое моделирование фазовых систем может служить наглядной иллюстрацией его возможных применений.

Выделим существующие на сегодняшний день основные методы:

Расчетно – теоретический метод;

Метод последовательного сравнения;

Статистический метод;

Кибернетический метод;

Геометрический метод.[8]

При выполнении физико-химических методов анализа используют специальную, иногда довольно сложную, измерительную аппаратуру, в связи с чем эти методы часто называют инструментальными. Многие современные приборы оснащены встроенными ЭВМ, которые позволяют находить оптимальные условия анализа (например, спектральную область получения наиболее точных результатов при анализе смеси окрашенных веществ), выполняют расчеты и т. д.

Почти во всех физико-химических методах анализа применяют два основных приема: методы прямых измерений и титрования. В прямых методах используют зависимость аналитического сигнала от природы анализируемого вещества и его концентрации. Зависимость сигнала от природы вещества - основа качественного анализа (потенциал полуволны в полярографии и т.д.). В некоторых методах связь аналитического сигнала с природой вещества установлена строго теоретически. Например, спектр атома водорода может быть рассчитан по теоретически выведенным формулам. В количественном анализе используют зависимость интенсивности сигнала от концентрации вещества. Чаще всего она имеет вид I = a + bс (уравнение связи), где I- интенсивность сигнала (сила диффузионного тока в полярографии, оптическая плотность в спектрофотометрии и т. д.), с - концентрация, а и b - постоянные, причем во многих случаях а = 0 (спектрофотометрия, полярография и др.). В ряде физико-химических методов анализа уравнение связи установлено теоретически, например закон Бугера-Ламберта-Бера (фотометрический анализ), уравнение Ильковича (вольтамперометрия).

Численные значения констант в уравнении связи определяют экспериментально с помощью стандартных образцов, стандартных растворов и т.д. Только в кулонометрии, основанной на законе Фарадея, не требуется определение констант.

Наибольшее распространение в практике получили следующие методы определения констант уравнения связи или, что то же самое, методы количеств, анализа с помощью физико-химических измерений:

1) Метод градуировочного графика. Измеряют интенсивность аналитического сигнала у нескольких стандартных образцов или стандартных растворов и строят градуировочный график в координатах I = f(с) или I = f(lgc), где с - концентрация компонента в стандартном растворе или стандартном образце. В тех же условиях измеряют интенсивность сигнала у анализируемой пробы и по градуировочному графику находят концентрацию.

2) Метод молярного свойства применяют в тех случаях, когда уравнение связи I = bc соблюдается достаточно строго. Измеряют аналитический сигнал у нескольких стандартных образцов или растворов и рассчитывают b = I_ст /с_ст; если с_ст измеряется в моль/л, то b -молярное свойство. В тех же условиях измеряют интенсивность сигнала у анализируемой пробы I_x и по соотношению c_x = I_x /b или c_x = c_стI_x /I_СТ рассчитывают концентрацию.

3) Метод добавок. Измеряют интенсивность аналитического сигнала пробы I_x, а затем интенсивность сигнала пробы с известной добавкой стандартного раствора I_x+стt. Концентрацию вещества в пробе рассчитывают по соотношению с_x = с_стI_x/(I_x+ст - I_x).

Методы титрования. Измеряют интенсивность аналитического сигнала I в зависимости от объема V добавленного титранта. По кривой титрования I=f (V)находят точку эквивалентности и рассчитывают результат по обычным формулам титриметрического анализа.

Достоинством физико-химических методов анализа является использование ЭВМ как для расчета результатов анализа, так и для решения других аналитических вопросов.

В 21 век современных технологий в вузах, школах и многих других образовательных организациях стало удобнее применять на занятиях информационно-коммуникационные технологии. С помощью персонального компьютера и различных программ можно создавать, моделировать графики, делать наглядные расчеты, изобретать различную анимацию, чтобы более доступно объяснять тот или иной материал. Обучение, воспитание и развитие нового поколения осуществляется в условиях информационно насыщенной среды. Информационные технологии диктуют новые требования к профессионально-педагогическим качествам учителя, к методическим и организационным аспектам использования в обучении информационно-коммуникационных технологий.Сегодня у любого преподавателя имеется в распоряжении многочисленные возможности применения в процессе обучения средств ИКТ — это информация из сети Интернет, электронные учебники, словари и справочники, презентации, программы, различные виды коммуникации — чаты, форумы, блоги, электронная почта, телеконференции, вебинары и многое другое. Благодаря этому, актуализируется содержание обучения, происходит быстрый обмен информацией между участниками образовательного процесса.[9]

Использование различных образовательных средств ИКТ в учебном процессе позволяет решить следующие задачи:

1. Освоение предметной области на разных уровнях глубины и детальности.

2. Выработка умений и навыков решения типовых практических задач в избранной предметной области.

3. Выработка умений анализа и принятия решений в нестандартных проблемных ситуациях.

4. Развитие способностей к определенным видам деятельности.

5. Проведение учебно-исследовательских экспериментов с моделями изучаемых объектов, процессов.

6. Восстановление знаний, умений и навыков.

7. Контроль и оценивание уровней знаний и умений.Существует много методов физико-химического анализа, но я решила наглядно продемонстрировать, как можно, используя различные программы на ПК, такие как Delphi, MathCad, Excel, построить градуировочные графики, графики зависимости, решать уравнения диаграмм – состояния, и изображать многокомпонентные системы с анимацией, для доступного объяснения процессов происходящих в диаграмме состав – свойство. На основании графиков, формул, диаграмм, можно делать выводы о зависимости одного компонента от другого или о нахождении эвтектической точки в данной фазе.

Практическая часть

Применение информационно-коммуникационных технологий для расчета и графического отображения результатов физико-химического анализа

Экспериментальная задача: определить состав комплекса никеля с ксиленоловым оранжевым по следующим величинам оптических плотностей, полученных добавлением концентрацией к равным с постоянной концентрацией 1*10^-5г-ион/л. Имеются табличные данные:

Рис.4.1.Табличные данные: концентрация С₁*10^-5 моль/л и D –оптическая плотность.

По приведенным данным нами получен график зависимости оптической плотности от концентрации ксиленолового оранжевого. С помощью программы excel находим линию тренда – линейную зависимость оптической плотности от концентрации. Форматируя линию тренда, находим уравнение ее прямой и величину достоверности аппроксимации (R²). Данные показаны на диаграмме.

Рис.4.2. Графическое изображение метода построения градуировочной прямой и определение с ее помощью состав комплекса никеля с ксиленоловым оранжевым

Отбрасывая точку, близкую к точке излома прямых (для с = 1,0 *10^-5), получаем пересечение прямых D при концентрации ксиленолового оранжевого 1,105*10^-5. Следовательно, состав комплекса будет [Ni]:[R]=1:1.

Температурные зависимости для алюминия и кремния в твердом и жидком состояниях в программе MathCad.Все данные приведены из справочных источников. Программа MathCad позволяет построить диаграммы зависимости по табличным данным.[10]

Ход выполнения работы:

(см. приложение рис.4.3.)

(см. приложение рис.4.4.)

(см. приложение рис.4.5.)

(см приложение рис.4.6.)

(см приложение рис.4.7.)

(см приложение рис.4.8.)

В среде объектного программирования Delphi можно строить различные диаграммы, способные в режиме мультипликации демонстрировать различные свойства вещества. Нами построена трехмерная диаграмма, которую можно использовать при изложении материала термодинамики. Она показана на рис.2.3. Обозначения: 1 фаза – твердое вещество (лед), 2 фаза – жидкое состояние (вода), 3 газообразное состояние (водяной пар). Равновесие между твердой и газообразной фазами называется кривой сублимации. Кривая, между жидкостью и паром – кривая испарения. Кривая между твердым телом и жидкостью называется кривой плавления. Кривые равновесия сходятся в одной точке, в которой могут сосуществовать в равновесии все три фазы. Эта точка называется тройной точкой.

Рис. 4.9. Трехмерная диаграмма состояния.

Заключение

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что с помощью программ ИКТ можно реализовать термодинамические расчеты и построение на основании полученных данных графиков и диаграмм. На основе изученной литературы, можно утверждать, что физико-химические свойства веществ, в частности, методы физико-химического анализа можно изучать и интерпретировать с помощью информационно-коммуникационных технологий.

В нашей работе использована методика построения градуировочного графика в электронной таблице excel для фотометрического метода анализа, которая позволяет обрабатывать результаты эксперимента с помощью компьютерных технологий.

В работе показана возможность построения диаграммы зависимостей, например, для Al и Si, с помощью термодинамического расчета в программе MathCad.

С помощью обьектно – ориентированного программирования в Delphi представлено, как можно показать термодинамические процессы на диаграмме состояния с демонстрацией перехода критической и тройной точек из одной фазы в другую, в соответствии с процессами перехода.

Таким образом, показано, что ИКТ позволяют облегчить процесс расчета экспериментальный данных и могут быть использованы при изложении материала химии на занятиях.

Список использованной литературы

Физическая химия. В 2 кн. Кв.1 под ред. Краснова К.С. Учебник 2001. 512с.

Общая химия: Учеб. Для технических направ. и спец. вузов/Н.В. Коровин. – 10-е изд.,доп. – М.:Высш. шк., 2008.-557 с.:ил.

https://otherreferats.allbest.ru/chemistry/00279577_0.html (12.11.2017)

Фотометрические методы анализа: методические указании по выполнениям практических работ/ Юго – Западный государственный университет; сост.: А.В.Лысенко. Курск, 2016, 25 с.: 3ил.,2 табл. Библиогр.: 22с.

www.nnre.ru/fizika/fizicheskaja_himija_konspekt_lekcii/p9.php (23.11.2017)

Моделирование фазового комплекса многокомпонентных систем с учетом хроматов и галогенидов щелочных металлов. Бурчаков А.В.

Фазовые диаграммы. Чареев. Часть 1.

http://boranbaeva.ru/wp-content/uploads/2016/02/edcca676c7db13131f193fd023cb9abd.pdf (03.12.2017)

https://infourok.ru/ispolzovanie-informacionnokommunikacionnih-tehnologiy-v-obuchenii-himii-1338630.html (03.12.2017)

Термодинамические свойства индивидуальных веществ: Справочное издание в 4-х томах. Том III.Кн.2. М: Наука, 1979

Приложения

Рис.4.3. Зависимость стандартных термодинамических потенциалов Al в твердом (S) и жидком (L) состояниях от температуры (T) в Дж/(моль*К)

Рис.4.4. Зависимость термодинамических потенциалов Al в твердом (S) и жидком (L) состояниях от температуры (T) в Дж/(моль*К)

Рис.4.5. Зависимость энергии Гиббса от Т для Al в твердом (S) и жидком (L) состояниях в Дж/моль.

Рис.4.6. Зависимость стандартных термодинамических потенциалов Si в твердом (S) и жидком (L) состояниях от температуры (T) в Дж/(моль*К)

Рис.4.7. Зависимость термодинамических потенциалов Si в твердом (S) и жидком (L) состояниях от температуры (T) в Дж/(моль*К)

Рис.4.8. Зависимость энергии Гиббса от Т для Si в твердом (S) и жидком (L) состояниях в Дж/моль.

Просмотров работы: 145

Код для цитирования:

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-КОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ИЗУЧЕНИИ МЕТОДОВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Студенческий научный форум - 2018
X Международная студенческая научная конференция