Физико-химические методы исследования строительных материалов —. Физико-химические методы оценки состава и структуры

Страница 1

Введение.

Человеческая цивилизация на протяжении своего развития, по крайней мере, в материальной сфере постоянно использует химические, биологические и физические закономерности, действующие на нашей планете, для удовлетворения тех или иных своих потребностей. http://voronezh.pinskdrev.ru/ обеденные столы в воронеже.

В древности это происходило двумя путями: осознанно или стихийно. Нас, естественно, интересует первый путь. Примером осознанного использования химических явлений могут служить:

Скисание молока, используемое для получения сыра, сметаны и других молокопродуктов;

Брожение некоторых семян, например, хмеля в присутствии дрожжей с образованием пива;

Возгонка пыльцы некоторых цветов (мака, конопли) и получение наркотиков;

Брожение сока некоторых плодов (в первую очередь, винограда), содержащего много сахара, в результате чего получали вино, уксус.

Революционные преобразования в жизни человека внес огонь. Человек начал использовать огонь для приготовления пищи, в гончарном производстве, для обработки и выплавки металлов, переработки древесины в уголь, выпаривания и сушки продуктов на зиму.

Со временем у людей возникала потребность все в новых и новых материалах. Неоценимую помощь в их создании оказывала химия. Особенно велика роль химии в создании чистых и сверхчистых материалов (в дальнейшем сокращенно – СЧМ). Если в создании новых материалов, на мой взгляд, лидирующее положение занимают всё же физические процессы и технологии, то получение СЧМ зачастую более эффективно и продуктивно с помощью химических реакций. А так же возникла потребность в защите материалов от коррозии в этом собственно и состоит основная роль физико-химических методов в строительных материалах. С помощью физико-химических методов изучают физические явления, которые происходят при химических реакциях. Например, в колориметрическом методе измеряют интенсивность окраски в зависимости от концентрации вещества, в кондуктометрическом анализе измеряют изменение электрической проводимости растворов и т. д.

В данном реферате изложены некоторые виды коррозийных процессов, а так же способы борьбы с ними, что является основной практической задачей физико-химических методов в строительных материалах.

Физико-химические методы анализа и их классификация.

Физико-химические методы анализа (ФХМА) основаны на использовании зависимости физических свойств веществ (например, светопоглощения, электрической проводимости и т.д.) от их химического состава. Иногда в литературе от ФХМА отделяют физические методы анализа, подчёркивая тем самым, что в ФХМА используется химическая реакция, а в физических - нет. Физические методы анализа и ФХМА, главным образом в западной литературе, называют инструментальными, так как они обычно требуют применения приборов, измерительных инструментов. Инструментальные методы анализа в основном имеют свою собственную теорию, отличную от теории методов химического (классического) анализа (титриметрии и гравиметрии). Базисом этой теории является взаимодействие вещества с потоком энергии.

При использовании ФХМА для получения информации о химическом составе вещества исследуемый образец подвергают воздействию какого-либо вида энергии. В зависимости от вида энергии в веществе происходит изменение энергетического состояния составляющих его частиц (молекул, ионов, атомов), выражающееся в изменении того или иного свойства (например окраски, магнитных свойств и т.п.). Регистрируя изменение этого свойства как аналитический сигнал, получают информацию о качественном и количественном составе исследуемого объекта или о его структуре.

По виду энергии возмущения и измеряемого свойства (аналитического сигнала) ФХМА можно классифицировать следующим образом (табл.2.1.1).

Кроме перечисленных в таблице существует множество других частных ФХМА, не подпадающих под данную классификацию.

Наибольшее практическое применение имеют оптические, хроматографические и потенциометрические методы анализа.

Таблица 2.1.1.

Вид энергии возмущения	Измеряемое свойство	Название метода	Название группы методов
Поток электронов (эле-ктрохимические реак-ции в растворах и на электродах)	Напряжение, потенциал	Потенциометрия	Электрохимические
	Ток поляризации электродов	Вольтамперо - метрия, полярография
	Сила тока	Амперометрия
	Сопротивление, проводимость	Кондуктометрия
	Импеданс (сопротивление переменному току, ёмкость)	Осциллометрия, высокочастотная кондуктометрия
	Количество электричества	Кулонометрия
	Масса продукта электрохимической реакции	Электрограви-метрия
	Диэлектрическая проницаемость	Диэлкометрия
Электромагнитное излучение	Длина волны и интенсивность спектральной линии в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра =10-3 .10-8 м	Оптические методы (ИК - спектро-скопия, атомно-эмиссионный анализ, атомно-абсорбционный анализ, фотомет-рия, люминис - центный анализ, турбидиметрия, нефелометрия)	Спектральные
	То же, в рентгеновской области спектра =10-8 .10-11 м	Рентгеновская фотоэлектронная, оже-спектроско-пия

Фотоколориметрия

Количественное определение концентрации вещества по поглощению света в видимой и ближней ультрафиолетовой области спектра. Поглощение света измеряют на фотоэлектрических колориметрах.

Спектрофотометрия (абсорбционная) . Физико-химический метод исследования растворов и твёрдых веществ, основанный на изучении спектров поглощения в ультрафиолетовой (200–400 нм), видимой (400–760 нм) и инфракрасной (>760 нм) областях спектра. Основная зависимость, изучаемая в спектрофотометрии зависимость интенсивности поглощения падающего света от длины волны. Спектрофотометрия широко применяется при изучении строения и состава различных соединений (комплексов, красителей, аналитических реагентов и др.), для качественного и количественного определения веществ (определения следов элементов в металлах, сплавах, технических объектах). Приборы спектрофотометрии – спектрофотометры.

Абсорбционная спектроскопия , изучает спектры поглощения электромагнитного излучения атомами и молекулами вещества в различных агрегатных состояниях. Интенсивность светового потока при его прохождении через исследуемую среду уменьшается вследствие превращения энергии излучения в различные формы внутренней энергии вещества и (или) в энергию вторичного излучения. Поглощательная способность вещества зависит от электронного строения атомов и молекул, а также от длины волны и поляризации падающего света, толщины слоя, концентрации вещества, температуры, наличия электрического и магнитного полей. Для измерения поглощательной способности используют спектрофотометры – оптические приборы, состоящие из источника света, камеры для образцов, монохроматора (призма или дифракционная решетка) и детектора. Сигнал от детектора регистрируется в виде непрерывной кривой (спектра поглощения) или в виде таблиц, если спектрофотометр имеет встроенную ЭВМ.

1. Закон Бугера-Ламберта: если среда однородна и слой в-ва перпендикулярен падающему параллельному световому потоку, то

I = I 0 exp (- kd),

где I 0 и I-интенсивности соотв. падающего и прошедшего через в-во света, d-толщина слоя, k-коэф. поглощения, к-рый не зависит от толщины поглощающего слоя и интенсивности падающего излучения. Для характеристики поглощат. способности широко используют коэф. экстинкции, или светопоглощения; k" = k/2,303 (в см -1) и оптич. плотность А = lg I 0 /I, а также величину пропускания Т= I/I 0 . Отклонения от закона известны только для световых потоков чрезвычайно большой интенсивности (для лазерного излучения). Коэф. k зависит от длины волны падающего света, т.к. его величина определяется электронной конфигурацией молекул и атомов и вероятностями переходов между их электронными уровнями. Совокупность переходов создает спектр поглощения (абсорбции), характерный для данного в-ва.

2. Закон Бера: каждая молекула или атом независимо от относительного расположения др. молекул или атомов поглощает одну и ту же долю энергии излучения. Отклонения от этого закона свидетельствуют об образовании димеров, полимеров, ассоциатов, о хим. взаимодействии поглощающих частиц.

3. Объединенный закон Бугера-Ламберта-Бера:

A = lg(I 0 /I)=КLC

L – толщина поглощающего слоя атомного пара

Абсорбционная спектроскопия основана на использовании способности вещества к селективному (избирательному) поглощению световой энергии.

Абсорбционная спектроскопия исследует поглощательную способность веществ. Абсорбционный спектр (спектр поглощения) получают следующим образом: вещество (пробу) помещают между спектрометром и источником электромагнитного излучения с определенным диапазоном частот. Спектрометр измеряет интенсивность света, прошедшего через пробу, по сравнению с интенсивностью первоначального излучения при данной длине волны. В этом случае состояние с высокой энергией также имеет короткий период жизни. В ультрафиолетовой же области поглощенная энергия обычно вновь переходит в свет; в некоторых случаях она может индуцировать фотохимические реакции. Обычный спектр пропускания воды, снятый в кювете из AgBr толщиной около 12 мкм.

Абсорбционная спектроскопия, к которой относятся методы инфракрасной, ультрафиолетовой и ЯМР-спектроскопии, дает сведения о характере средней молекулы, но, в противоположность масс-спектрометрии, не позволяет распознавать различные виды молекул, которые могут присутствовать в анализируемой пробе.

Абсорбционная спектроскопия парамагнитного резонанса является методом, который может быть применен к молекулам, содержащим атомы или ионы с неспаренными электронами. Поглощение приводит к изменению ориентации магнитного момента при переходе из одного разрешенного положения в другое. Истинная поглощенная частота зависит от магнитного поля, и, следовательно, путем изменения поля поглощение может быть определено по некоторой микроволновой частоте.

Абсорбционная спектроскопия парамагнитного резонанса является методом, который может быть применен к молекулам, содержащим атомы или ионы с неспаренными электронами. Это приводит к изменению ориентации магнитного момента при переходе из одного разрешенного положения в другое. Истинная поглощенная частота зависит от магнитного поля, и, следовательно, путем изменения поля поглощение может быть определено по некоторой микроволновой частоте.

В абсорбционной спектроскопии молекула в более низком энергетическом уровне поглощает фотон с частотой v, вычисляемой по уравнению, с переходом на более высокий энергетический уровень. В обычном спектрометре через образец проходит излучение, содержащее все частоты в инфракрасной области. Спектрометр регистрирует количество прошедшей через образец энергии как функцию частоты излучения. Поскольку образец поглощает только излучение с частотой, определяемой по уравнению, самописец спектрометра показывает равномерное высокое пропускание, за исключением области тех частот, определяемых из уравнения, где наблюдаются полосы поглощения.

В абсорбционной спектроскопии определяется изменение интенсивности электромагнитного излучения, создаваемого каким-либо источником, изменение, которое наблюдается при прохождении излучения через поглощающее его вещество. При этом молекулы вещества взаимодействуют с электромагнитным излучением и поглощают энергию.

Метод абсорбционной спектроскопии используется для определения количества газовой примеси по измеренной площади индивидуальной линии поглощения, группы линий или целой полосы поглощения в спектре радиации, прошедшей некоторый путь в среде. Измеряемые площади сопоставляются с аналогичными величинами, рассчитанными на основе данных о спектрах поглощения, полученных в лабораторных условиях при дозированных количествах измеряемого газа.

В абсорбционной спектроскопии минимальное время жизни, необходимое для того, чтобы можно было наблюдать различимые спектры, увеличивается по мере уменьшения энергии перехода.

Для абсорбционной спектроскопии можно использовать источник белого света в сочетании со спектрографом для получения фотографически зарегистрированного обзорного спектра поглощающих соединений в реакционной системе. В других случаях для сканирования спектрального диапазона может применяться монохроматор с фотоэлектрическим приемником. Многие исследуемые короткоживущие интермедиаты обладают достаточно большим оптическим поглощением из-за наличия разрешенного электронного дипольного перехода на более высокий уровень энергии. В этом случае, например, триплетные возбужденные состояния могут наблюдаться по их триплет-триплетному поглощению. В общем случае индивидуальные полосы поглощения имеют тем большую амплитуду, чем они уже. Вследствие этого эффекта атомы имеют разрешенные линии поглощения с особенно большими амплитудами. При количественных измерениях поглощения обычно выбирается длина волны, при которой наблюдается сильная полоса поглощения и на нее не накладываются полосы поглощения других соединений.

В абсорбционной спектроскопии мы ограничены не столько оптическими свойствами исследуемого газа, нагретого ударной волной, сколько свойствами источника излучения.

Применение абсорбционной спектроскопии связано с затратой небольших количеств исследуемого вещества.

Метод кинетической абсорбционной спектроскопии, охватывающий электронную область спектра, хорошо известен как основной метод наблюдения за концентрациями радикалов, реагентов и конечных продуктов, образующихся в результате импульсного фотолиза. Однако этот метод стал широко использоваться во многих струевых разрядных установках только недавно. Из-за низких оптических плотностей сканирование полосатых спектров неизвестных химических систем затруднительно. Этот метод более всего подходит для исследования радикалов, чьи электронные спектры поглощения достаточно точно определены.

В приборах абсорбционной спектроскопии свет от источника освещения проходит через монохроматизатор и падает на кювету с исследуемым веществом. Практически обычно определяют отношение интенсивностей монохроматического света, прошедшего через исследуемый раствор и через растворитель или специально выбранный раствор сравнения.

В методе абсорбционной спектроскопии луч монохроматического света с длиной волны А, и частотой v проходит кювету длиною l (в см), содержащую раствор поглощающего соединения концентрации с (моль/л) в подходящем растворителе.

Однако в атомной абсорбционной спектроскопии этим источником света до сих пор пользуются незаслуженно мало. Преимуществом высокочастотных ламп является простота изготовления, поскольку лампа представляет обычно стеклянный или кварцевый сосуд, в котором находится небольшое количество металла.

Пламя в атомной абсорбционной спектроскопии является наиболее распространенным способом атомизации вещества. В атомно-абсорбционной спектроскопии пламя выполняет ту же роль, что и в пламенной эмиссионной спектроскопии, с той лишь разницей, что в последнем случае пламя является также и средством для возбуждения атомов. Поэтому естественно, что техника пламенной атомизации проб в атомно-абсорбционном спектральном анализе во многом копирует технику эмиссионной фотометрии пламени.

Метод атомно-абсорбционной спектрометрии (AAS), атомно-абсорбционный анализ (ААА) – метод количественно элементного анализа по атомным спектрам поглощения (абсорбции). Широко используется при анализе минерального вещества для определения различных элементов.

Принцип действия метода основан на том, что атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния. В количественном спектральном анализе определяют содержание исследуемого вещества по относительной или абсолютной интенсивностям линий или полос в спектрах.

Атомные спектры (поглощения или испускания) получают переведением вещества в парообразное состояние путём нагревания пробы до 1000–10000 °C. В качестве источников возбуждения атомов при эмиссионном анализе токопроводящих материалов применяют искру, дугу переменного тока; при этом пробу помещают в кратер одного из угольных электродов. Для анализа растворов широко используют пламя или плазму различных газов.

Достоинства метода:

· простота,

· высокая селективность,

· малое влияние состава пробы на результаты анализа.

· Экономичность;

· Простота и доступность аппаратуры;

· Высокая производительность анализа;

· Наличие большого числа аттестованных аналитических методик.

· Литература для ознакомления с методом ААС

Ограничения метода – невозможность одновременного определения нескольких элементов при использовании линейчатых источников излучения и, как правило, необходимость переведения проб в раствор.

В лаборатории ХСМА метод AAS используется более 30 лет. С его помощью определяются CaO, MgO, MnO, Fe 2 O 3 , Ag, микропримеси; пламенно-фотометрическим методом - Na 2 O, K 2 O.

Атомно-абсорбционный анализ (атомно-абсорбционная спектрометрия), метод количеств. элементного анализа по атомным спектрам поглощения (абсорбции).

Принцип метода: Через слой атомных паров пробы, получаемых с помощью атомизатора (см. ниже), пропускают излучение в диапазоне 190-850 нм. В результате поглощения квантов света (фотонное поглощение) атомы переходят в возбужденные энергетические состояния. Этим переходам в атомных спектрах соответствуют т. наз. резонансные линии, характерные для данного элемента. Мера концентрации элемента – оптическая плотность или атомное поглощение:

A = lg(I 0 /I)=КLC (согласно закону Бугера-Ламберта-Бера),

где I 0 и I - интенсивности излучения от источника соответственно до и после прохождения через поглощающий слой атомного пара.

К-коэффициент пропорциональности (коэффициент вероятности электронного перехода)

L - толщина поглощающего слоя атомного пара

С – концентрация определяемого элемента

Принципиальная схема пламенного атомно-абсорбционного спектрометра: 1-источник излучения; 2-пламя; 3-монохрома гор; 4-фотоумножитель; 5-регистрирующий или показывающий прибор.

Приборы для атомно-абсорбционного анализа - атомно-абсорбционные спектрометры – прецизионные высокоавтоматизированные устройства, обеспечивающие воспроизводимость условий измерений, автоматическим введение проб и регистрацию результатов измерения. В некоторые модели встроены микроЭВМ. В качестве примера на рисунке приведена схема одного из спектрометров. Источником линейчатого излучения в спектрометрах чаще всего служат одноэлементные лампы с полым катодом, заполняемые неоном. Для определения некоторых легколетучих элементов (Cd, Zn, Se, Те и др.) удобнее пользоваться высокочастотными безэлектродными лампами.

Перевод анализируемого объекта в атомизированное состояние и формирование поглощающего слоя пара определенной и воспроизводимой формы осуществляется в атомизаторе – обычно в пламени или трубчатой печи. Наиб. часто используют пламя смесей ацетилена с воздухом (макс. температура 2000°С) и ацетилена с N2O (2700°С). Горелку со щелевидным соплом длиной 50-100 мм и шириной 0,5-0,8 мм устанавливают вдоль оптической оси прибора для увеличения длины поглощающего слоя.

Трубчатые печи сопротивления изготавливают чаще всего из плотных сортов графита. Для исключения диффузии паров через стенки и увеличения долговечности графитовые трубки покрывают слоем газонепроницаемого пироуглерода. Макс. т-ра нагрева достигает 3000 °С. Менее распространены тонкостенные трубчатые печи из тугоплавких металлов (W, Та, Мо), кварца с нихромовым нагревателем. Для защиты графитовых и металлических печей от обгорания на воздухе их помещают в полугерметичные или герметичные камеры, через которые продувают инертный газ (Аr, N2).

Введение проб в поглощающую зону пламени или печи осуществляют разными приемами. Растворы распыляют (обычно в пламя) с помощью пневматических распылителей, реже – ультразвуковых. Первые проще и стабильнее в работе, хотя уступают последним в степени дисперсности образующегося аэрозоля. Лишь 5-15% наиболее мелких капель аэрозоля поступает в пламя, а остальная часть отсеивается в смесительной камере и выводится в сток. Макс. концентрация твердого вещества в растворе обычно не превышает 1%. В противном случае происходит интенсивное отложение солей в сопле горелки.

Термическое испарение сухих остатков растворов - основной способ введения проб в трубчатые печи. При этом чаще всего пробы испаряют с внутренней поверхности печи; раствор пробы (объемом 5-50 мкл) вводят с помощью микропипетки через дозировочное отверстие в стенке трубки и высушивают при 100°С. Однако пробы испаряются со стенок при непрерывном возрастании температуры поглощающего слоя, что обусловливает нестабильность результатов. Чтобы обеспечить постоянство температуры печи в момент испарения, пробу вводят в предварительно нагретую печь, используя угольный электрод (графитовую кювету) графитовый тигель (печь Вудриффа), металлический или графитовый зонд. Пробу можно испарять с платформы (графитового корытца), которую устанавливают в центре печи под дозировочным отверстием. В результате значит. отставания температуры платформы от температуры печи, нагреваемой со скоростью около 2000К/с, испарение происходит при достижении печью практически постоянной температуры.

Для введения в пламя твердых веществ или сухих остатков р-ров используют стержни, нити, лодочки, тигли из графита или тугоплавких металлов, помещаемые ниже оптической оси прибора, так что пары пробы поступают в поглощающую зону с потоком газов пламени. Графитовые испарители в ряде случаев дополнительно подогревают электрическим током. Для исключения мех. потерь порошкообразных проб в процессе нагрева применяются испарители типа цилиндрических капсул, изготовленные из пористых сортов графита.

Иногда растворы проб подвергают в реакционном сосуде обработке в присутствует восстановителей, чаще всего NaBH 4 . При этом Hg, напр., отгоняется в элементном виде, As, Sb, Bi и др. – в виде гидридов, которые вносятся в атомизатор потоком инертного газа. Для монохроматизации излучения используют призмы или дифракционные решетки; при этом достигают разрешения от 0,04 до 0,4 нм.

При атомно-абсорбционном анализе необходимо исключить наложение излучения атомизатора на излучение источника света, учесть возможное изменение яркости последнего, спектральные помехи в атомизаторе, вызванные частичным рассеянием и поглощением света твердыми частицами и молекулами посторонних компонентов пробы. Для этого пользуются различными приемами, напр. модулируют излучение источника с частотой, на которую настраивают примерно - регистрирующее устройство, применяют двухлучевую схему или оптическую схему с двумя источниками света (с дискретным и непрерывным спектрами). наиб. эффективна схема, основанная на зеемановском расщеплении и поляризации спектральных линий в атомизаторе. В этом случае через поглощающий слой пропускают свет, поляризованный перпендикулярно магнитного полю, что позволяет учесть неселективные спектральные помехи, достигающие значений А = 2, при измерении сигналов, которые в сотни раз слабее.

Достоинства атомно-абсорбционного анализа – простота, высокая селективность и малое влияние состава пробы на результаты анализа. Ограничения метода - невозможность одновременного определения нескольких элементов при использовании линейчатых источников излучения и, как правило, необходимость переведения проб в раствор.

Атомно-абсорбционный анализ применяют для определения около 70 элементов (гл. обр. металлов). Не определяют газы и некоторые другие неметаллы, резонансные линии которых лежат в вакуумной области спектра (длина волны меньше 190 нм). С применением графитовой печи невозможно определять Hf, Nb, Та, W и Zr, образующие с углеродом труднолетучие карбиды. Пределы обнаружения большинства элементов в растворах при атомизации в пламени, в графитовой печи в 100-1000 раз ниже. Абсолютные пределы обнаружения в последнем случае составляют 0,1-100 пг.

Относитительное стандартное отклонение в оптимальных условиях измерений достигает 0,2-0,5% для пламени и 0,5-1,0% для печи. В автоматическом режиме работы пламенный спектрометр позволяет анализировать до 500 проб в час, а спектрометр с графитовой печью-до 30 проб. Оба варианта часто используют в сочетании с предварит. разделением и концентрированием экстракцией, дистилляцией, ионным обменом, хроматографией, что в ряде случаев позволяет косвенно определять некоторые неметаллы и оргагические соединения.

Методы атомно-абсорбционного анализа применяют также для измерения некоторых физ. и физ.-хим. величин - коэффициент диффузии атомов в газах, температур газовой среды, теплот испарения элементов и др.; для изучения спектров молекул, исследования процессов, связанных с испарением и диссоциацией соединений.

- 176.21 Кб

Саратовский Государственный Технический Университет

Строительно - Архитектурно - Дорожный Институт

Кафедра: «Производство строительных изделий и конструкций»

Контрольная работа по дисциплине:

«Методы исследования строительных материалов»

Саратов 2012

1. Прямые и косвенные методы проведения изменений. Метод градуировочного графика, молярного свойства и добавок. Ограничения применимости методов. 3
2. Потенциометрия: теоретические основы, узлы прибора для потенциометрического титрования (водородный электрод, хлорсеребряный электрод – принцип действия). 10

Список литературы. 16

1. Прямые и косвенные методы проведения измерений. Метод градуировочного графика, молярного свойства и добавок. Ограничения применимости методов.

Физико-химические методы анализа - это методы, в которых анализируемые вещества подвергают химическим превращениям, а анализируемый сигнал является физической величиной, зависящей от концентрации определённого компонента. Химические превращения способствуют выделению, связыванию анализируемого компонента или переводу его в форму, легко поддающуюся идентификации. Таким образом, детектируемая среда образуется в ходе самого анализа.

Почти во всех физико-химических методах анализа применяются два основных методических приёма: метод прямых измерений и метод титрования (метод косвенных измерений).

Прямые методы

При прямых измерениях используется зависимость аналитического сигнала от природы анализируемого вещества и его концентрации. В спектроскопии, например, длина волны спектральной линии, определяет свойство природы вещества, а количественной характеристикой является интенсивность спектральной линии.

Поэтому, при проведении качественного анализа фиксируют сигнал, а при проведении количественного анализа - измеряют интенсивность сигнала.

Между интенсивностью сигнала и концентрацией вещества всегда существует зависимость, которая может быть представлена выражением:

I =K · С,

где: I - интенсивность аналитического сигнала;

K - константа;

С - концентрация вещества.

В аналитической практике наибольшее распространение получили следующие методы прямого количественного определения:

1) метод градуировочного графика;

2) метод молярного свойства;

3) метод добавок.

Все они основаны на использовании стандартных образцов или стандартных растворов.

Метод градуировочного графика.

В соответствии с законом Бугера - Ламберта - Бера график зависимости оптической плотности от концентрации должен быть линейным и проходить через начало координат.

Готовят серию стандартных растворов различной концентрации и измеряют оптическую плотность в одинаковых условиях. Для повышения точности определения число точек на графике должно быть не меньше трех - четырех. Затем определяют оптическую плотность исследуемого раствора А х и по графику находят соответствующее ей значение концентрации С х (рис.1.).

Интервал концентраций стандартных растворов подбирают таким образом, чтобы концентрация исследуемого раствора соответствовала примерно середине этого интервала.

Метод является наиболее распространенным в фотометрии. Основные ограничения метода связаны с трудоемким процессом приготовления эталонных растворов и необходимостью учитывать влияние посторонних компонентов в исследуемом растворе. Чаще всего метод применяется для проведения серийных анализов.

Рис.1. Градуировочный график зависимости оптической плотности от концентрации.

В этом методе измеряется интенсивность аналитического сигнала I у нескольких стандартных образцов и строится градуировочный график обычно в координатах I = f(с), где с – концентрация определяемого компонента в стандартном образце. Затем в этих же условиях измеряется интенсивность сигнала у анализируемой пробы и по градуировочному графику находится концентрация анализируемого вещества.

Если градуировочный график описывается уравнением y = b C, то он может быть построен по одному эталону, а прямая будет выходить из начала координат. В этом случае измеряются аналитические сигналы для одного стандартного образца и пробы. Далее рассчитываются погрешности, и строится корректирующий график.

Если градуировочный график строится по уравнению y = a + b C, то необходимо использовать как минимум два эталона. Реально для уменьшения погрешности используются от двух до пяти эталонов.

Интервал концентраций на градуировочном графике должен охватывать предполагаемую область анализируемых концентраций, а состав стандартного образца или раствора должен быть близок к составу анализируемого. На практике это условие редко достигается, поэтому желательно иметь широкий набор стандартных образцов разнообразного состава.

В уравнении прямой y = a + b C величина b характеризует наклон прямой и называется коэффициентом инструментальной чувствительности. Чем больше b , тем больше наклон графика и тем меньше погрешность определения концентрации.

Может применяться и более сложная зависимость, кроме того, перевод функций в логарифмические координаты позволяет ослабить влияние побочных процессов и предотвращает появление ошибки.

Градуировочный график должен строиться непосредственно перед измерениями, однако в аналитических лабораториях при выполнении серийных анализов используют постоянный, заранее полученный график. В этом случае необходимо проводить периодические проверки правильности результатов анализов во времени. Частота контроля зависит от величины серии проб. Так, для серии из 100 проб выполняют один контрольный анализ на каждые 15 проб.

Метод молярного свойства.

Здесь также измеряется интенсивность аналитического сигнала (I = Ac) у нескольких стандартных образцов и рассчитывается молярное свойство А, т.е. интенсивность аналитического сигнала, пропорциональная 1 моль вещества: А = I/c ст. .

Или рассчитывается среднее молярное свойство по выражению:

Ā=1/n i ∑I/С, (1.7.4)

где: Ā – среднее молярное свойство;

n i – количество измерений i-х стандартных образцов;

I – интенсивность сигнала;

С – концентрация

Затем в тех же условиях измеряется интенсивность сигнала у анализируемой пробы и по соотношению с х = I/A рассчитывается концентрация анализируемого компонента.

Метод предполагает соблюдение соотношения I = Ac.

Метод добавок.

Когда состав пробы неизвестен или о нём имеется недостаточно данных, а также когда отсутствуют адекватные стандартные образцы, применяется метод добавок. Он позволяет в значительной степени устранить систематические погрешности, когда существует несоответствие между составом эталонов и проб.

Метод добавок основан на введении в серию одинаковых по массе и объёму проб анализируемого раствора (А х) точно известного количества определяемого компонента (а) с известной концентрацией (С а). При этом измеряется интенсивность аналитического сигнала пробы до введения (I x) и после введения дополнительного компонента (I х+а).

Этот метод применяют для анализа сложных растворов, т. к. он позволяет автоматически учитывать влияние посторонних компонентов анализируемого образца. Сначала измеряют оптическую плотность исследуемого раствора с неизвестной концентрацией

А х = С х,

Затем в анализируемый раствор добавляют известное количество стандартного раствора определяемого компонента (С ст) и измеряют оптическую плотность А х+ст :

А х+ст = (С х + С ст),

откуда

С х = С ст · .

Для повышения точности добавку стандартного раствора определяемого компонента делают дважды и полученный результат усредняют.

Концентрацию анализируемого вещества в методе добавок можно найти графическим путем (рис.2.).

Рис.2. Градуировочный график для определения концентрации вещества по методу добавок.

Последнее уравнение показывает, что если строить график А х+ст как функции С ст, то получится прямая, экстраполяция которой до пересечения с осью абсцисс дает отрезок, равный - С х. Действительно, при А х+ст = 0 из этого же уравнения следует, что - С ст = С х.

Следовательно, в этом методе сначала измеряют интенсивность аналитического сигнала пробы I x , затем в пробу вводится известный объем стандартного раствора до концентрации с ст . и снова измеряется интенсивность сигнала I x+ст. , следовательно

I x = Ac x , I x+ст. = A(c x + c ст.)

с х = с ст.

Метод также предполагает соблюдение соотношения I = Ac.

Число проб с добавками переменных количеств определяемого компонента может варьироваться в широких пределах.

Метод косвенных измерений

Косвенные измерения применяются при титровании анализируемой пробы кондуктометрическим, потенциометрическим и некоторыми другими методами.

В этих методах в процессе титрования измеряется интенсивность аналитического сигнала - I и строится кривая титрования в координатах I - V, где V - объем добавляемого титранта в мл.

По кривой титрования находится точка эквивалентности и проводится расчет, по соответствующим аналитическим выражениям:

Q в-ва = Т г/мл · Vмл(экв)

Виды кривых титрования весьма многообразны, они зависят от метода титрования (кондуктометрическое, потенциометрическое, фотометрическое и т.д.), а также от интенсивности аналитического сигнала, зависящего от отдельных влияющих факторов.

1. Потенциометрия: теоретические основы, узлы прибора для потенциометрического титрования (водородный электрод, хлорсеребряный электрод – принцип действия).

Электрохимические методы анализа - это совокупность методов качественного и количественного анализа, основанных на электрохимических явлениях, происходящих в исследуемой среде или на границе раздела фаз и связанных с изменением структуры, химического состава или концентрации анализируемого вещества. Включают следующие основные группы: кондуктометрию, потенциометрию, вольтамперометрию, кулонометрию.

Потенциометрия

Потенциометрический метод анализа основан на измерении электродных потенциалов и электродвижущих сил в растворах электролитов.

Различают прямую потенциометрию и потенциометрическое титрование.

Прямая потенциометрия используется для непосредственного определения активности (a) ионов в растворе при условии обратимости электродного процесса (т.е. протекающего на поверхности электрода). Если известны индивидуальные коэффициенты активности компонентов (f), то можно определить непосредственно концентрацию (с) компонента: . Метод прямой потенциометрии надёжен благодаря отсутствию диффузионного потенциала в растворе, искажающего результаты анализа (диффузионный потенциал связан с разностью концентраций определяемого компонента на поверхности электрода и в объёме раствора).

Краткое описание

Физико-химические методы анализа - это методы, в которых анализируемые вещества подвергают химическим превращениям, а анализируемый сигнал является физической величиной, зависящей от концентрации определённого компонента. Химические превращения способствуют выделению, связыванию анализируемого компонента или переводу его в форму, легко поддающуюся идентификации. Таким образом, детектируемая среда образуется в ходе самого анализа.

Почти во всех физико-химических методах анализа применяются два основных методических приёма: метод прямых измерений и метод титрования (метод косвенных измерений).

Список литературы.

Цель работы: 1. Ознакомиться с основными методами исследования свойств строительных материалов.

2. Проанализировать основные свойства строительных материалов.

1. Определение истинной (абсолютной) плотности материала

(пикнометрический метод) (ГОСТ 8269)

Для определения истинной плотности берут раздробленные строительные материалы: кирпич, известняковый щебень, керамзитовый гравий, их измельчают, пропускают через сито с ячейкой менее 0,1 мм и отбирают навеску массой по 10 г каждая (m).

Каждую навеску высыпают в чистый высушенный пикнометр (Рис. 1) и наливают в него дистиллированную воду в таком количестве, чтобы пикнометр был заполнен не более чем на половину своего объема, затем пикнометр встряхивают, смачивая весь порошок, ставят на песчаную баню и нагревают содержимое не до кипения в наклонном положении в течение 15-20 минут для удаления пузырьков воздуха.

Рис. 1 – Пикнометр для определения истинной плотности материала

Затем пикнометр обтирают, охлаждают до комнатной температуры, доливают до метки дистиллированную воду и взвешивают (m 1), после чего пикнометр освобождают от содержимого, промывают, наполняют до метки дистиллированной водой комнатной температуры и еще раз взвешивают (m 2). В тетради чертят таблицу, в которую заносят массы каждого материала и последующих расчетов.

Истинная плотность материала определяется по формуле:

где масса навески порошка, г.;

Масса пикнометра с навеской и водой после кипячения, г.;

Масса пикнометра с водой, г.;

Плотность воды, равная 1 г/см 3 .

2. Определение средней плотности образца правильной геометрической формы (ГОСТ 6427)

Среднюю плотность лучше определять у тех же материалов- кирпича, куска известняка и керамзитового гравия. Объем образцов правильной геометрической формы (кирпича) определяют по геометрическим размерам в соответствии с рисунком, измеренным с погрешностью не более 0,1 мм. Каждый линейный размер вычисляют как среднее арифметическое трех измерений. Образцы должны быть сухими.

Объем образцов неправильной формы определяют по вытесненной воде, опуская в мерный цилиндр с водой кусок известняка или гравия, который тонет, с отметкой объема вытесненной жидкости. 1мл=1см 3 .

Рис. 1 – Измерение линейных размеров и объема образца

призмы цилиндра

Средняя плотность определяется по формуле:

где масса сухого образца, г.;

Объем образца, см 3 .

№ п/п	Материал								П, %
	кирпич
	известняк
	керамзит
	кв. песок

3. Определение пористости материала (ГОСТ 12730.4)

Зная истинную плотность и среднюю плотность кирпича, известняка, керамзитового гравия, определяют пористость материала П, %, по формуле:

где средняя плотность материала, г/см 3 или кг/м 3 ;

Истинная плотность материала, г/см 3 или кг/м 3 .

Сравнительная плотность разных материалов приведена в приложении А. Результаты заносятся в таблицу.

4. Определение насыпной плотности (ГОСТ 8269)

Сыпучий материал (песок, керамзитовый гравий, щебень) в объеме, обеспечивающем проведение испытания, высушивают до постоянной массы. Материал насыпают в предварительно взвешенный мерный цилиндр (m) с высоты 10 см до образования конуса, который снимают стальной линейкой вровень с краями (без уплотнения) движением к себе, после чего цилиндр с навеской взвешивают (m 1).

Рис. 3. Воронка для определения насыпной плотности песка

1 – воронка; 2 – опоры; 3 – заслонка

Насыпная плотность материала определяется по формуле:

где масса мерного цилиндра, г;

Масса мерного цилиндра с навеской, г;

Объем мерного цилиндра, л.

Результаты заносятся в таблицу.

5. Определение пустотности (ГОСТ 8269)

Пустотность (V пуст, %) сыпучего материала определяют, зная насыпную и среднюю плотность сыпучего материала по формуле:

где насыпная плотность материала, кг/м 3 ;

Средняя плотность материала, кг/м 3 .

Средняя плотность песка кварцевого не определяется, её принимают такой, как истинная – 2,65 г/см 3 .

6. Определение влажности материала (ГОСТ 8269)

Пробу материала в количестве 1,5 кг насыпают в сосуд и взвешивают , затем высушивают до постоянной массы в сушильном шкафу (это надо делать заранее). Чтобы определить влажность на уроке, можно сделать наоборот: взвесить в сосуде произвольное количество сухого песка и намочить его произвольно, опять взвесить, получив и .

Влажность W ,%, определяется по формуле:

где масса влажной пробы, г;

Масса пробы в сухом состоянии, г.

Для определения водопоглощения отбирают три образца любой формы размером от 40 до 70 мм или кирпич, определяют объем . Образцы очистить от пыли металлической щеткой и высушить до постоянной массы. Затем их взвешивают и укладывают в сосуд с водой комнатной температуры так, чтобы уровень воды в сосуде был выше верха образцов не менее чем на 20 мм. В таком положении образцы выдерживают в течение 48 час. После чего их вынимают из воды, удаляют влагу с поверхности отжатой влажной мягкой тканью и каждый образец взвешивают .

Водопоглощение по массе W погл, %, определяется по формуле:

Водопоглощение по объему W о, %, определяется по формуле:

где масса образца в сухом состоянии, г;

Масса образца после насыщения его водой, г;

Объем образца в естественном состоянии, см 3 .

Относительную плотность определяют как:

Коэффициент насыщения материала водой определяют:

Вычислив все показатели с преподавателем, студент получает индивидуальное задание по вариантам задач контрольной №1.

7. Определение предела прочности при сжатии (ГОСТ 8462)

Прочность при сжатии определяют на кубиках размеров 7,07×7,07×7,07 см, 10×10×10 см, 15×15×15 см и 20×20×20 см. Кирпич и балочки сначала испытывают на прочность при изгибе (8), затем половинки испытывают на сжатие.

Для определения прочности при сжатии образцы правильной геометрической формы (балочки, кубики, кирпич) подвергают осмотру, обмеру и испытывают на гидравлическом прессе. Устанавливают образец в центре опорной плиты и прижимают верхней плитой пресса, которая должна плотно прилегать по всей грани образца. При испытании нагрузка на образец должна возрастать непрерывно и равномерно. Наибольшая сжимающая нагрузка соответствует максимальному показанию манометра во время испытания.

При испытании на прочность при сжатии кубов, верхняя грань куба должна стать боковой гранью, чтобы исключить неровности.

Предел прочности при сжатии R сж, МПа, для образцов-кубов из бетона определяется по формуле:

где максимальная разрушающая нагрузка, кН;

Площадь поперечного сечения образца (среднее арифметическое площадей верхней и нижней граней), см 2 .

8. Определение предела прочности при изгибе. (ГОСТ 8462)

Предел прочности при изгибе определяется на образцах – балочках с помощью универсальной машины МИИ-100, которая дает сразу показания прочности в кг/см 2 или на кирпиче с помощью пресса гидравлического с примене нием катков по схеме, предложенной на рисунке 5. Испытания прочности кирпича обязательно надо показать, затем определить прочность половинок при сжатии (9), марку кирпича.

Рис. 4 – Испытательная машина МИИ-100 для определения предела прочности при изгибе

Рис.5 – Схема испытания предела прочности при изгибе

Предел прочности при изгибе R изг, МПа, определяется по следующей формуле:

Расстояние между осями опор, см;

Ширина образца, см;

Высота образца, см.

Материал
кирпич
балочка
кубик

9. Определение коэффициента конструктивного качества (удельной прочности материала)

Результаты вычислений занести в таблицу.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные свойства строительных материалов, какие важны для конструкционных материалов?

2. Какие плотности определяют у строительных материалов, как?

3. Что такое истинная плотность? Зачем ее определяют?

4. Что такое насыпная плотность? Как она определяется и для чего?

5. Чтобы определить среднюю плотность, какой объем надо знать? Как определить объем куска щебня?

6. Какая плотность имеет наибольшее числовое выражение у одного и того же материала, какая наименьшее? Почему?

7. Для каких материалов определяют пустотность, чем она отличается от пористости? Сравните истинную, среднюю, и насыпную плотности у кварцевого песка, кирпича, керамзитового гравия или известнякового щебня.

8. В какой зависимости находится общая пористость от плотности? Что такое пористость?

9. Какая пористость может быть в материале? Как ее можно определить?

10. Влияет ли пористость на влажность материала? Что такое влажность?

11. Чем влажность отличается от водопоглощения? О каких свойствах можно судить, зная водопоглощение?

12. Как определить коэффициент водонасыщения? Что он характеризует?

13. Как определить коэффициент размягчения? Каково его значение для воздушных и гидравлических вяжущих?

14. Будет ли меняться водо- и газопроницаемость при изменении плотности, как? При каком виде пористости эти показатели увеличиваются?

15. Влияет ли величина пористости на величину набухания и усадку материала? Какова усадка у ячеистого бетона, какова у тяжелого бетона?

16. Есть ли связь плотности материала с теплопроводностью? Какие материалы лучше защищают от холода? Из какого материала по плотности возводят стены жилых зданий?

17. Влияет ли увлажнение материала на коэффициент теплопроводности? Почему?

18. Каков коэффициент линейного температурного расширения у бетона, стали, гранита, древесины? Когда это имеет значение?

19. Можно ли использовать материалы с К н =1 для изготовления плит дорожного покрытия? Почему?

20. Чем пористость отличается от пустотности, по какой формуле определяют эти показатели?

21. Есть ли материалы, у которых истинная плотность равна средней?

22. Почему образуются поры в кирпиче, влияет ли способ формования кирпича на их количество?

23. Как увеличивают пористость в искусственном камне, зачем?

24. От чего происходит усадка, у каких материалов она больше: плотных или пористых?

25. Зависит ли усадка от водопоглощения материала? Какая вода в структуре материала не испаряется?

26. На каких образцах определяют прочность вяжущих, растворов и бетонов, по какой формуле считают прочность, в каких единицах?

27. От каких показателей зависит прочность, у каких структур она максимальна?

28. Почему прочность при изгибе у одних материалов больше, у других меньше прочности при сжатии? Как называют такие материалы?

29. От каких характеристик зависит морозостойкость?

30. Что называют удельной поверхностью, зависит ли увлажнение от этой характеристики?

Лабораторная работа №4

Гипсовые вяжущие

Цель работы: 1. Ознакомиться с основными свойствами гипса строительного.

2. Проанализировать основные свойства гипса строительного.

Введение

Раздел №1. «Строительные материалы и их поведение в условиях пожара».

Тема 1. Основные свойства строительных материалов, методы исследования и оценка поведения строительных материалов в условиях пожара.

Тема 2. Каменные материалы и их поведение в условиях пожара.

Тема 3. Металлы, их поведение в условиях пожара и способы повышения стойкости к его воздействию.

Тема 4. Древесина, ее пожарная опасность, способы огнезащиты и оценка их эффективности.

Тема 5. Пластмассы, их пожарная опасность, методы ее исследования и оценки.

Тема 6. Нормирование пожаробезопасного применения материалов в строительстве.

Раздел №2. «Строительные конструкции, здания, сооружения и их поведение в условиях пожара».

Тема 7. Исходные сведения об объемно-планировочных и конструктивных решениях зданий и сооружений.

Тема 8. Исходные сведения о пожарной опасности зданий и строительных конструкций.

Тема 9. Теоретические основы разработки методов расчета огнестойкости строительных конструкций.

Тема 10. Огнестойкость металлических конструкций.

Тема 11. Огнестойкость деревянных конструкций.

Тема 12. Огнестойкость железобетонных конструкций.

Тема 13. Поведение зданий, сооружений в условиях пожара.

Тема 14. Перспективы совершенствования подхода к определению и нормированию требований к огнестойкости строительных конструкций.

Введение

Структура дисциплины, значение ее в процессе профессиональной подготовки выпускника института. Современные направления в проектировании, строительстве эксплуатации, зданий и сооружений.

Народнохозяйственное значение деятельности сотрудников пожарной охраны по контролю за пожаробезопасным применением строительных материалов и использовании огнестойких строительных конструкций при проектировании, строительстве, реконструкции зданий и сооружений.

Раздел 1. Строительные материалы и их поведение в условиях пожара.

Тема 1. Основные свойства строительных материалов, методы исследования и оценка поведения строительных материалов в условиях пожара.

Виды, свойства, особенности производства и применения основных строительных материалов и их классификация. Факторы, влияющие на поведение строительных материалов в условиях пожара. Классификация основных свойств строительных материалов.

Физические свойства и показатели, их характеризующие: пористость, гигроскопичность, водопоглощение, водо- газо- и паропроницаемость строительных материалов.

Основные формы связи влаги с материалом.

Теплофизические свойства и показатели их характеризующие.

Основные негативные процессы, определяющие поведение неорганических строительных материалов в условиях пожара. Методы экспериментальной оценки изменения механических характеристик строительных материалов, применительно к условиям пожара.

Процессы, протекающие в органических материалах в условиях пожара. Пожарно-технические характеристики строительных материалов, методы их исследования и оценки.

Практическое занятие 1. Определение основных свойств некоторых строительных материалов и прогнозирование поведения этих материалов в условиях пожара.