Балтийский
Федеральный университет имени Иммануила Канта
Курсовая работа
Определение
тяжелых металлов во мхах
Выполнила:
студентка 3 курса
факультета биоэкологии
специальности химия
Степанова Анна
лининград
- 2013
Содержание
1. Введение
. Теоретическая часть
.1 Атомно-флуоресцентный анализ
.2 Рентгеновская флуоресценция
.3 Электрохимические методы анализа
.3.1 Инверсионная вольтамперометрия
.3.2 Полярографический метод
.4 Атомно-абсорбционный анализ
.5 Гравиметрический анализ
.6 Спектральные методы анализа
.7 Дробный метод определения металлов
.7.1 Дробный метод определения ртути
.7.2 Дробный метод определения цинка
.8 Колориметрический метод
.8.1 Определение содержания цинка дитизоновым методом
Заключение
1. Введение
Мхи наземные или реже пресноводные автотрофные растения, объединяемые в отдел мохообразных, включающий наиболее примитивные высшие растения. Мхи подразделяют на 3 класса: антоцеротовые, печёночные и лиственные, или листостебельные. Все они сравнительно просто организованные, многоклеточные, большей частью многолетние (реже - однолетние) растения высотой от 1 до 50 см с частичным обособлением ассимиляционной, водопроводящей и механической тканей; обладают единым циклом развития, различающимся в пределах отдельных групп некоторыми особенностями. Цикл развития мхов сопровождается обособлением диплоидного спорофита (видоизменённого спорангия) на гаплоидном гаметофите. В результате половое и бесполое поколения развиваются совместно на одном растении, т. е. Чередование поколений у мхов носит несколько условный характер. Из споры у мхов вырастает ветвистая, многоклеточная нитчатая или пластинчатая протонема, способная к фотосинтезу. Вследствие развития на протонеме многочисленных почек для мхов характерны групповые формы роста (дерновинки, куртинки, подушки), что помогает переносить неблагоприятные условия и способствует вегетативному размножению. У одних мхов из почек вырастают пластинчатые слоевища, у других - радиально или двусторонне-симметричные побеги. Слоевища и побеги могут быть обоеполыми или однополыми; соответственно мхи бывают обоеполыми или разнополыми, однодомными и двудомными. Органы полового размножения - антеридии и архегонии - чаще располагаются группами среди многоклеточных стерильных нитей - парафиз и окружены особыми листовидными выростами. В антеридиях (продолговатых мешочках на ножке с однослойной оболочкой) образуются двужгутиковые сперматозоиды, для передвижения которых к яйцеклетке необходима вода. В нижней расширенной части архегония помещается яйцеклетка. Оплодотворение и дальнейшее развитие зиготы происходит в архегонии. Из зиготы за несколько месяцев развивается спорогон - орган бесполого размножения (спороношения), в значительной степени утерявший самостоятельность. Зелёное стеблеобразное тело молодого спорогона затем становится жёлтым, коричневым или тёмно-красным и дифференцируется на верхнюю спороносную часть - коробочку и нижнюю - ножку со стопой, которая врастает в ткань материнского растения. При образовании спор из археспория (спорогенной ткани) происходит мейоз. Зигота и спорогон у мхов диплоидны и составляют бесполое поколение - спорофит. Протонема, слоевищные и олиственные гаметофоры гаплоидны и относятся к половому поколению - гаметофиту; в основном на них ложатся функции автотрофного питания. Благодаря этому и способности гаметофита к вегетативному размножению цикл развития мхов длительное время может происходить без образования спорофита (у некоторых видов спорогоны неизвестны). Гаметофиты мхов морфологически разнообразны, однослойные листовидные выросты стебля (филлоиды) отличаются большим варьированием признаков. Спорогоны же во многих группах обнаруживают значительное сходство. На стеблях олиственных мхов образуются также хлорофиллоносные листо- или нитевидные выросты - парафиллии, булавовидные волоски, вторичная протонема и нитевидные ризоиды, которые, как войлоком, могут обволакивать наземные или подземные части растений. Ризоидами слоевища и стебли прикрепляются к субстрату или плотно соединяются между собой. У мхов установлены апоспория и апогамия, гибридизация и полиплоидия, что даёт основания для признания их участия в видообразовательных процессах. Наряду с этим у мхов распространено формирование клонов, что способствует сохранению местных адаптивных изменений.
Мхи распространены повсеместно. Поселяются повсюду, кроме морей, засолённых почв и местообитаний, скрытых под ледниками или подверженных сильной эрозии. Антоцеротовые и печёночные мхи распространены в основном в странах с тропическим или умеренным влажным климатом; только немногие приспособились к произрастанию в сухих местах. Лиственные мхи растут почти повсеместно, однако наибольшего развития достигают на увлажнённых местах, в лесах, тундре; на болотах мхи образуют основную массу торфяных залежей. Интенсивно развиваясь, мхи способствуют заболачиванию почв, ухудшают качество лугов и др. с.-х. угодий. В связи с антибиотическими свойствами некоторых мхов их применяют иногда как перевязочный материал. Используют в качестве подстилки для скота, в строительной технике для изготовления плит и др.
Проблема загрязнения окружающей
среды стоит достаточно остро. Необходимо проведение мониторинговых исследований
за ее состоянием. Особое внимание при этом уделяется поиску и разработке
надежных методов контроля. Мхи и подстилки - надежные источники информации о
загрязнении окружающей среды. Мхи - это биоиндикаторы загрязнений, т.к. они
непосредственно из воздуха аккумулируют тяжелые металлы и другие вещества. По
содержанию во мхах тяжелых металлов можно судить об источниках и степени
загрязнения окружающей среды.
2. Теоретическая часть
.1 Атомно-флуоресцентный анализ
свинец цинк инверсионный вольтамперометрия
Атомно-флуоресцентный анализ
(атомно-флуоресцентная спектрометрия), метод количеств, элементного анализа
<#"905468.files/image001.gif">
где I и I0-интенсивности соответствующего аналитического сигнала и источника возбуждения,
e-энергетический выход,
W-телесный угол сбора <http://www.xumuk.ru/farmacevt/905.html> флуоресценции <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4795.html>,
С-концентрация элемента,-коэффициент, характеризующий поглощение света, p=3,14.
С помощью стандартных образцов <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4186.html> (не менее трех) строят градуировочный график в координатах lgI - IgC. Обычно графики линейны в области до 2 порядков величины концентраций <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2115.html> определяемого элемента.
Аналитический сигнал в атомно-флуоресцентном анализе формируется на фоне шумов регистрирующей схемы и рассеянного света. Последний возникает в результате рассеяния излучения источника возбуждения на оптически неоднородностях паров <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3187.html> и на частицах пробы в атомизаторах. При больших интенсивностях рассеянного света выделение из шума сигнала резонансной флуоресценции <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4795.html> затруднено, поскольку длина волны аналитической линии <http://www.xumuk.ru/biospravochnik/1018.html> совпадает с длиной волны рассеянного света. Для подавления влияния шума макрокомпоненты пробы отделяют и анализируют концентрат микроэлементов <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2620.html>. Применяют также нерезонансную флуоресценцию <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4795.html>, при которой длины волн возбуждающего и рассеянного света не совпадают с длиной волны флуоресценции <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4795.html>. В этом случае эффективное возбуждение достигается только с использованием лазеров <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2254.html>.
Для регистрации спектра флуоресценции <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4795.html> применяют светосильные спектрофотометры с большим углом W. Измеряют интенсивность излучения, распространяющегося под прямым углом к возбуждающему излучению (в этом направлении интенсивность рассеянного света обычно минимальна). Методом атомно-флуоресцентного анализа можно определять около 65 элементов; пределы обнаружения достигают 10-6*10-8% (в порошках) и 10-3нг/мл (в растворах). Высокая селективность метода, обусловленная очень узкими линиями <http://www.xumuk.ru/biospravochnik/1018.html> атомной флуоресценции <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4795.html>, дает возможность определять одновременно несколько элементов. Для этого вокруг атомизатора устанавливают соответствующее число светосильных спектрофотометров. А.-ф. а. легко автоматизируется, стоимость аппаратуры относительно невысока.
Метод применяется для анализа пород <http://www.xumuk.ru/biospravochnik/141.html> (земных и лунных), почв, природных и сточных вод <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/786.html>, сталей, сплавов <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4178.html>, нефтей <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/2865.html>, пищевых продуктов, биологических объектов (крови, мочи), различных химических соединений, для дистанционного определения элементов в верхних слоях атмосферы <http://www.xumuk.ru/encyklopedia/397.html>.
В атомно-флуоресцентной спектроскопии возбуждение ионов происходит под воздействием внешнего источника излучения. Но поскольку, необходимым условием для возникновения атомно-флуоресцентного излучения является предварительное поглощение атомами кванта света подходящей энергии, то метод атомно-флуоресцентной спектроскопии, будучи по сути эмиссионным, имеет и много общего с атомно-абсорбционной спектроскопией.
Спектральный анализ давно применяется в химии и материаловедении для определения следовых количеств элементов. Методы спектрального анализа стандартизованы, информация о характерных линиях большинства элементов и многих молекул хранится в компьютерных базах данных, что в значительной мере ускоряет анализ и идентификацию химических веществ.
Чрезвычайно эффективным методом контроля за состоянием воздушной среды является лазерная спектроскопия. Она позволяет измерять размер и концентрацию находящихся в воздухе частиц, определять их форму, а также получать данные о температуре и давлении паров воды в верхних слоях атмосферы. Такие исследования проводятся методом лидара (лазерной локации ИК-диапазона).
Спектроскопия открыла широкие возможности для получения информации фундаментального характера во многих областях науки. Так, в астрономии собранные с помощью телескопов спектральные данные об атомах, ионах, радикалах и молекулах, находящихся в звездном веществе и межзвездном пространстве, способствовали углублению наших знаний о таких сложных космологических процессах, как образование звезд и эволюция Вселенной на ранней стадии развития.
До сих пор для определения структуры
биологических объектов широко применяется спектроскопический метод измерения
оптической активности веществ. По-прежнему при изучении биологических молекул
измеряются их спектры поглощения и флуоресценция. Флуоресцирующие при лазерном
возбуждении красители используются для определения водородного показателя и
ионных сил в клетках, а также для исследования специфических участков в белках.
С помощью резонансного комбинационного рассеяния зондируется структура клеток и
определяется конформация молекул белков и ДНК. Важную роль сыграла
спектроскопия при изучении фотосинтеза и биохимии зрения. Все большее
применение находит лазерная спектроскопия и в медицине. Диодные лазеры
используются в оксиметре - приборе, определяющем насыщенность крови кислородом
по поглощению излучения двух разных частот ближней ИК-области спектра.
Изучается возможность использования лазерно-индуцируемой флуоресценции и
комбинационного рассеяния для диагностики рака, болезней артерий и ряда других
заболеваний.
2.2 Рентгеновская флуоресценция
Когда атомы образца облучаются фотонами с высокой энергией - возбуждающим первичным излучением рентгеновской трубки, это вызывает испускание электронов. Электроны покидают атом. Как следствие, в одной или более электронных орбиталях образуются "дырки" - вакансии, благодаря чему атомы переходят в возбужденное состояние, т.е. становятся нестабильны. Через миллионные доли секунды атомы возвращаются к стабильному состоянию когда вакансии во внутренних орбиталях заполняются электронами из внешних орбиталей. Такой переход сопровождается испусканием энергии в виде вторичного фотона - этот феномен и называется "флуоресценция''. Энергия вторичного фотона находится в диапазоне энергий рентгеновского излучения, которое располагается в спектре электромагнитных колебаний между ультрафиолетом и гамма-излучением.
Различные электронные орбитали обозначаются K, L, M и т.д., где К - орбиталь, ближайшая к ядру. Каждой орбитали электрона в атоме каждого элемента соответствует собственный энергетический уровень. Энергия испускаемого вторичного фотона определяется разницей между энергией начальной и конечной орбиталей, между которыми произошел переход электрона.
Длина волны испускаемого фотона связана с энергией формулой
= E1-E2 =
hc/l,
где E1 и E2 - энергии орбиталей, между которыми произошел переход электрона,- постоянная Планка,
с - скорость света,- длина волны испускаемого(вторичного) фотона.
Таким образом, длина волны
флуоресценции является индивидуальной характеристикой каждого элемента и
называется характеристической флуоресценцией. В то же время интенсивность
(число фотонов, поступающих за единицу времени) пропорциональна концентрации
(количеству атомов) соответствующего элемента. Это дает возможность элементного
анализа вещества: определение количества атомов каждого элемента, входящего в
состав образца.
2.3 Электрохимические методы анализа
Классические электрохимические методы, в основе которых лежит стационарная поляризационная кривая (зависимость стационарного электрохимического тока от напряжения, наложенного на электродную систему), имеют предел обнаружения порядка микрограммов веществ (или ~10-5 моль/л). Такой предел обнаружения определяется отношением электролитического тока (определяемого электродным процессом изучаемого вещества) к остаточному току (сумма электролитических токов примесей, емкостного, обусловленного заряжением электрического двойного слоя тока, и «шума» измерительной цепи). Обычно величина остаточного тока составляет по меньшей мере 10-9 А, поэтому измеряемый электролитический ток должен быть достаточно большим для того, чтобы его можно было отличить от остаточного.
Предел обнаружения классических методов можно снизить, подавляя шум, используя более чувствительную измерительную аппаратуру, измеряя мгновенную концентрацию изучаемого вещества в диффузионном слое у электрода.
Для вращающихся и вибрирующих твердых электродов наряду с проблемами, связанными с достижением воспроизводимой конвективной диффузии, появляются трудности воспроизводимого обновления активной электродной поверхности. В настоящее время наиболее перспективными представляются вращающиеся дисковые электроды, для которых конвективный диффузионный поток электроактивного вещества может быть описан математически и активная поверхность которых с достаточно хорошей воспроизводимостью может быть обновлена полированием.
Чтобы снизить пределы обнаружения
электроаналитических методов, необходимо предварительно сконцентрировать
разбавленный раствор образца. Для этой цели применимы некоторые методы
разделения (хроматография, жидкостная экстракция), при которых происходит
отделение мешающих компонентов. Методики продолжительны и трудоемки, возможны
потери части определяемого вещества в процессе концентрирования и введение
загрязнений в анализируемую систему. Поэтому выгоднее проводить предварительное
накопление в системе, в которой проводится измерение. Этот принцип положен в
основу электрохимических инверсионных методов: определяемое вещество
концентрируется электрохимически на индикаторном электроде (образуя амальгаму
или пленку на поверхности электрода), а затем при обратном (электролитическом)
процессе переводится в раствор. Таким образом исследуемое вещество в фазе
электрода (на границе электрод - раствор) находится в существенно большей
концентрации, чем первоначально, и чувствительность определения возрастает во
много раз.
2.3.1 Инверсионная вольтамперометрия
Инверсионная вольтамперометрия является одним из вариантов электрохимических методов анализа, основанных на предварительном концентрировании определяемого компонента. Предварительное концентрирование осуществляется за счет перевода определяемого компонента из большого объема раствора с малой концентрацией на поверхность или в малый объем электрода. Перевод определяемого компонента из раствора на поверхность или в объем электрода может быть осуществлен за счет протекания соответствующей электрохимической реакции или за счет процесса адсорбции. После накопления на поверхности или в объеме электрода определяемое вещество подвергается электрохимическому превращению (восстановлению или окислению), причем этот процесс можно проводить в разных режимах:
) Потенциодинамическом (при линейном изменении потенциала электрода во времени - инверсионная вольтамперометрия). На записываемой при этом вольтамперограмме (кривой “ток - потенциал”) будет наблюдаться пик, высота которого определяется концентрацией накопленного на электроде вещества и, следовательно, является аналитическим сигналом. Для повышения чувствительности используются различные варианты переменнотоковой, дифференциально-импульсной, квадратно-волновой и других видов вольтамперометрии.
) Гальваностатическом (электрохимическое превращение накопленного на электроде вещества при постоянном токе - инверсионная хронопотенциометрия). Из записываемой при этом хронопотенциограммы (кривой “потенциал - время”) определяется так называемое переходное время (время полного электрохимического превращения накопленного вещества), которое однозначно связано с количеством накопленного вещества и является, следовательно, аналитическим сигналом.