Сравнительная оценка атомно-абсорбционного и титриметрического определения кальция в кормах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Департамент образования города Москвы

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение города Москвы

«образовательный комплекс «ЮГО-ЗАПАД»

ВКР.18.02.01.01.157.12

Выпускная квалификационная работа

(дипломная работа)

Тема: Сравнительная оценка атомно-абсорбционного и титриметрического определения кальция в кормах

Студент группы АК-57

№ группы Лиховских Иван Алексеевич

Специальность: 18.02.01 Аналитический контроль качества химических соединений

2018



Содержание

Введение

1. Корма в России

1.1 Виды кормов

1.1.1 Зеленые корма

1.1.2 Грубые корма естественной и искусственной сушки

1.1.3 Побочные продукты промышленности (пищевой, бродильной, сахарной, крахмальной, маслоэкстракционной, спиртовой, лесной, бумажной)

1.1.4 Корма животного и микробного происхождения

1.1.5 Комбикорма, БВД, ЗЦМ

1.2 Показатели безопасности качества кормов

1.3 Качественные показатели

1.4 Кальций в кормах

2. Методы определения кальция. Теоретические основы методов анализа

2.1 Титриметрический метод. Комплексонометрия

2.1.1 Комплексонометрические индикаторы

2.1.2 Преимущества комплексонометрического метода

2.2 Атомно-абсорбционный метод

2.2.1 Принцип метода

2.2.2 Атомизация анализируемого вещества

2.2.3 Поглощаемое излучение

2.2.4 Поглощение квантов света свободными атомами

2.2.5 Устройство спектрофотометра

2.3 Атомизаторы

2.3.1 Пламенные атомизатор

2.3.2 Электротермический атомизатор

2.3.3 Программа нагрева печи

2.3.4 Комбинированные атомизаторы

2.4 Оптические диспергирующие системы

3. Практическая часть

3.1 Подготовка пробы для анализа титриметрическим методом

3.1.1 Проведение испытания титриметрическим методом

3.2 Подготовка пробы в атомно-абсорбционном методе

3.2.1 Приготовление исходных растворов

3.2.2 Приготовление градуировочных растворов

3.2.3 Подготовка раствора пробы

3.2.4 Проведение испытаний

4. Обработка результатов

4.1 Титриметрический метод

4.2 Атомно-абсорбционный метод

Заключение

Список литературных источников

Приложение



Введение

Кормопроизводство играет ведущую роль в сельском хозяйстве России, позволяет решать многие проблемы его развития. Животноводству оно дает корма, растениеводству - эффективные севообороты и повышение урожайности зерновых и других культур, земледелию - повышение плодородия почв.

Кормовые экологические системы занимают огромную территорию в России. Корма выполняют очень значимую, продукционную и природоохранную функцию в агроландшафте. Кормопроизводство связывает воедино растениеводство и животноводство, земледелие и экологию, поддерживает в сельском хозяйстве необходимый баланс отраслей.

Кормопроизводство, кормовая база являются основой устойчивого развития высокопродуктивного животноводства. Создание единой эффективной системы животноводства и кормопроизводства позволит реализовать генетический потенциал породистого скота, обеспечить его высокую и устойчивую продуктивность.

Развитие кормопроизводства в РФ является стратегическим направлением в стремительном развитии всего сельского хозяйства. Оно крайне необходимо для того, чтобы обеспечить самодостаточность производства животноводческой продукции. Также, кормовое производство крайне важно для рационального пользования природными ресурсами, улучшения окружающей среды и общего здоровья нации.

Цель выпускной квалификационной работы: Сравнение методов определения кальция в кормовой муке.

Актуальность этого исследования проявляется в том, что нужно выяснить какой метод подходит для определения кальция в кормах, как это отразится на скорости, финансах, качестве.

В задачи исследования входило:

1.Провести анализ нормативной документации

2.Провести сравнительные испытания существующих методик количественного определения кальция.

3.Оценить чувствительность при определении данного показателя, для выбора оптимального химико-аналитического оборудования.

4.Сделать выводы о преимуществах и недостатках изучаемых методов.

испытание кальций химический аналитический



1. Корма в России

Животноводство является одной из основных отраслей сельского хозяйства в России. Оно дает порядка 45% от всей валовой продукции, собирает около 75% основных производственных фондов и 70% трудовых ресурсов в сельском хозяйстве. Значимость животноводство определяется еще тем, что производит самую необходимую и востребованную продукцию, которую использует человек в рационе своего питания.

Эффективность животноводства невозможна без создания прочной кормовой базы. К примеру, разведение крупного рогатого скота мясного направления необходимо размещать в тех районах, где присутствуют значительные пастбищные угодья. А свиноводство должно быть ориентировано на земледельческую кормовую базу. Зависит животноводство и от природных условий, продолжительности пастбищного и стойлового содержания животных, выбор структуры стада, его поголовья, технологии откормки и выращивания.

Благодаря животноводству осуществляется поставка всех необходимых продуктов питания для населения, к которым относится: мясо, яйца, молоко, сыр и т.д., а также сырье для пищевой и легкой промышленности. Как зерновые культуры, животноводство распространено повсюду. А сами луга и пастбища, занимаю в три раза больше земель, чем пашня.

Поэтому так важен анализ кормов, который позволяет произвести оценку показателей безопасности используемого корма по следующим параметрам:

- Уровень токсичных элементов;

- Количество содержащихся в них нитрозаминов;

- Определение микотоксинов;

- Уровень пестицидов.

Анализ состава кормов также помогает определить такие показатели как:

- Влага;

- Сухое вещество, которое включает в себя органические и неорганические составляющие;

- Жиры и углеводы;

- Минеральные вещества;

- Витамины.

1.1 Виды кормов

1.1.1 Зеленые корма

В эту группу входят травы естественных и искусственных лугов и пастбищ, сеяные злаковые и бобовые культуры, ботва корне-клубнеплодов и бахчевых, гидропонный корм. Отличительная особенность зеленых кормов - высокая влажность. Сухое вещество их отличается высоким содержанием протеина, минеральных веществ и витаминов. По содержанию энергии и перевариваемого протеина сухое вещество зеленых кормов близко к растительным концентратам, но превосходит их по биологической ценности протеина и содержанию витаминов. В процессе вегетации растений их питательная ценность меняется: снижается содержание протеина, каротина и повышается клетчатки, вследствие чего снижается переваримость и энергетическая ценность. Питательная ценность зеленых кормов зависит от ботанического состава трав, условий и места их произрастания, агротехники выращивания, цикла (времени) стравливания пастбищ.

1.1.2 Грубые корма естественной и искусственной сушки

К ним относятся сено естественных и сеяных трав, сенная мука, травяная мука, резка из искусственно высушенных трав, сенаж, все виды соломы, мякина (полова), шелуха, веточный корм, хвойная мука. Основным показателем, характеризующим эту группу кормов, является высокое содержание клетчатки. Питательность разных видов кормов этой группы зависит как от содержания в них клетчатки, так и от ботанического состава растений, фазы скашивания трав, технологии приготовления корма. Грубые корма - хорошие источники углеводов, протеина, витаминов и минеральных веществ. Для жвачных животных эти корма служат наполни­телем рациона, создают определенный объем и структуру кормовой смеси, оказывают положительное влияние на пищеварение.

Сочные корма -силос, корнеплоды, клубнеплоды, сочные плоды бахчевых и листовых культур, овощи - отличаются высоким содержанием воды, являются хорошими источниками легкоусвояемых углеводов (кроме силоса), обладают молокогонными свойствами, оказывают положитель­ное влияние на процессы пищеварения, повышают эффективность исполь­зования питательных веществ рациона. Энергетическая питательность этих кормов в связи с высоким содержанием влаги невысокая. Мало в них также протеина и клетчатки. Однако, как диетические и молокогонные корма они незаменимы в рационах молодняка и лактирующих коров (особенно корнеплоды).

Зерно, семена и продукты их переработки являются, главным образом, источниками энергии и протеина. По содержанию основных питательных веществ зерновые корма делят на богатые углеводами (зерна и семена злаковых), богатые протеином (зерна и семена бобовых) и богатые жиром (семена масличных растений). К этой группе кормов относятся продукты переработки зерна и семян, мукомольные отходы, зерно­вые отходы, дерть, зародыши. Зерна злаковых культур являются основным компонентом для приготовления кормовых концентратных смесей. Протеин зерна злаковых имеет низкую биологическую ценность. Во всех кормах этого вида сырья лимитирующей аминокислотой является лизин. Поэтому, заменяя один вид зерна другим, невозможно существенно повысить качество протеина кормовой смеси или комбикорма. Высокая концентрация легкопереваримых углеводов обеспечивает высокую питательность зерна злаковых. Различия в содержании клетчатки существенно влияют на количество усвояемой энергии и, следовательно, на кормовую ценность зерна. Общая тенденция заключается в том, что количество клетчатки и усвояемой энергии в зерне коррелируют отрицательно. Основными углеводистыми зернофуражными культурами являются: ячмень, кукуруза, овес, пшеница, рожь, просо, сорго.

Зерно бобовых -горох, соя, вика, чечевица, люпин - по химическому составу существенно отличается от зерна злаковых. Кормовая ценность зерна бобовых определяется высоким содержанием в нем биологически полноценного протеина.

При использовании сои в кормлении жвачных необходимо иметь в виду что ее нельзя вводить в комбикорма, предназначенные для скармливания в составе рационов с добавками карбамида.

1.1.3 Побочные продукты промышленности (пищевой, бродильной, сахарной, крахмальной, маслоэкстракционной, спиртовой, лесной, бумажной)

В эту группу включены кормовые средства, получаемые как побочные продукты от переработки сырья промышленностью. Наибольший удельный вес в кормовом балансе занимают отходы свекло­сахарного производства (жом, меласса), спиртового (барда) и маслоэкстракционного (жмыхи, шроты).

Отруби(пшеничные, ржаные) являются побочным продуктом перера­ботки зерна. Состав их зависит от состава исходного продукта помола. Они богаты пленками зерна с приставшими к ним частицами эндосперма. Отруби - богатый источник фосфора, хотя значительная часть его находится в трудно усвояемой форме в составе фитина, оказывающего послабляющее действие на желудочно-кишечный тракт животных.

1.1.4 Корма животного и микробного происхождения

Для этой группы кормов характерно высокое содержание полноценного протеина.

Наибольшее значение в кормлении животных имеют молоко и молочные продукты, отходы от переработки животных и рыбы (мясная, мясокостная и рыбная мука).

Молоко и отходы от его переработки -незаменимые продукты для питания молодняка. Обрат, пахту, сыворотку используют как в натуральном виде, так и в составе жидких и сухих ЗЦМ.

Отходы мясной промышленности (мясная, мясокостная и кровяная мука) содержат протеин, отличающегося высокой биологической ценностью.

Рыбная мука обладает высокой биологической ценностью протеина, определяемой его аминокислотным составом. Она представляет исключительную ценность для балансирования рационов свиней и птицы по критическим аминокислотам.

Из кормов микробного синтеза наиболее ценны дрожжи и бактериальные продукты, выращиваемые на отходах нефти (БВК), спиртах (эприн) и др. Эти корма занимают промежуточное положение между кормами животного и растительного происхождения.

1.1.5 Комбикорма, БВД, ЗЦМ

Представляют собой смеси заводского изготовления, состоящие из многих компонентов, специально подобранных с целью сбалансирования кормового рациона по недостающим элементам питания и энергии, а также для частичной или полной замены цельного молока при выращивании молодняка. Рецепты комбикормов и БВД составляют с учетом зональных особенностей кормовой базы, структуры рационов и типа кормления животных.

Небелковые азотистые соединения (карбамид, аммонийные соли, синте­тические аминокислоты), минеральные и витаминные препараты (микроэлементы, макроэлементы, витамины, премиксы) используют в качестве добавок к рационам для балансирования их по недостающим элементам питания или частичной замены кормового протеина.



1.2 Показатели безопасности качества кормов

К показателям безопасности относятся: токсичность, микробиологические показатели (общая бактериальная обсемененность, наличие условно-патогенной и патогенной микрофлоры), содержание солей тяжелых металлов, пестицидов, микотоксинов нитритов -вредных примесей, способных вызвать негативные последствия после их воздействия на организм животных. При анализе кормов по этим показателям используют методики, утвержденные Госстандартом Российской Федерации, Департаментом ветеринарии Минсельхозпрода Российской Федерации и Министерством здравоохранения Российской Федерации, а при необходимости, методы, приведенные в нормативной документации на корма.

Питательность кормов определяется содержанием в них питательных веществ (белков, жиров, углеводов, макро- и микроэлементов, витаминов и др.) и должна полностью обеспечивать физиологические потребности организма животных (для полнорационных кормов).

Показатели питательной ценности корма позволяют идентифицировать полнорационный корм. Несоблюдение норм по содержанию питательных веществ в полнорационном корме может вызвать негативные последствия для животных.

Подтверждение при контроле корма фактического содержания питательных веществ указанному изготовителем на этикетке или в сопроводительной документации (далее-декларированному) позволит не допускать к реализации фальсифицированные корма, защитить потребителя от недобросовестного изготовителя и необходимо для оценки стабильности производства.



1.3 Качественные показатели

Среди факторов, определяющих полноценность кормления сельскохозяйственных животных, существенное значение имеют условия минерального питания.

В настоящее время в растениях и организме животных, кроме углерода, кислорода, азота и водорода, установлено присутствие еще около 75 химических элементов. Их содержание колеблется в широких пределах. В число жизненно необходимых входят 15 элементов, и 5-8 рассматриваются как необязательные, однако не исключено, что известны еще далеко не все элементы, функционально важные для живых организмов.

Минеральные вещества имеют большое значение для нормальной жизнедеятельности организма, поскольку они являются необходимой основой для построения опорных систем (костей и др.), входят в состав клеток, тканей, органов и жидкостей, участвуют во всех биохимических процессах, протекающих в живом организме на всех его структурных уровнях.

Несмотря на широкие колебания содержания минеральных элементов в кормах, их уровень в органах и тканях животных остается довольно постоянным благодаря способности организма в поддержании гомеостаза минеральных веществ. Однако эти регуляторные механизмы не беспредельны, и при интенсивном использовании животных нарушения минерального обмена могут стать серьезным лимитирующим фактором производства продукции. Последствия эти могут быть самыми разнообразными, основные же из них сводятся к следующему:

1) нарушение функциональной деятельности органов и систем и возникновение алиментарных заболеваний,

2) нарушение воспроизводительных способностей и рождение нежизнеспособного молодняка,

3) снижение продуктивности и качества продуктов,

4) ухудшение использования питательных веществ рациона и увеличение затрат кормов на образование продукции.

В процессе жизнедеятельности животного минеральные вещества выводятся из организма, и поступление их вместе с кормом и водой предохраняет животных от деминерализации. Потребность сельскохозяйственных животных в минеральных веществах велика. Достаточно сказать, что корова при среднем годовом удое 3000 кг выделяет с молоком до 40 кг минеральных веществ, а рекордистки за сутки -- до 0,4-0,5 кг. Необходимыми для жизнедеятельности организма макроэлементами являются кальций, фосфор, калий, натрий, хлор, сера, магний.

1.4 Кальций в кормах

Кальций - это основной элемент для построения скелета. В скелете содержится 90--99% всего количества кальция в организме. Зола костей содержит 38% кальция.

Кальций выполняет две основные функции: пассивную (в составе опорных тканей) и активную -- в составе клеток и тканей для поддерживания процессов жизнедеятельности. От поступления в организм кальция, фосфора и витамина D зависит минеральный состав костей животных. Кальций принимает активное участие в активации ферментов, катализации процессов протеолиза, гликогенолиза. Соли кальция оказывают важное значение в функционировании сердечной мышцы. Кальций способствует свертыванию крови, замедляет действие токсинов, повышает устойчивость организма к инфекционным заболеваниям. Кальций благотворно влияет на обмен железа в организме животных.

Особенно кальций необходим растущему молодняку свиней и свиньям на откорме. При недостатке кальция нарушается процесс окостенения хрящевой ткани скелета и развивается рахит. Увеличение суставов конечностей, искривление костей, хромота - признаки недостатка кальция в организме. У взрослых животных недостаток кальция может вызывать остеомаляцию (размягчение костей), остеопороз. Чаще эти заболевания возникают в зимний период, при нарушении кормления и ухода; отсутствия моциона; при плохом микроклимате помещения; при скармливании недоброкачественных кормов.

Богаты кальцием зерно, злаково-бобовое сено; в соломе злаков и корнеплодных его мало. Растения, выращенные на низших участках, богаче кальцием, чем на возвышенных. Также кальцием богаты рыбная, костная, мясокостная мука; молоко; зеленые корма; бобовые травы. В рационах свиней используют дикальций и трикальций фосфат. При увеличении в кормах клетчатки, усвояемость кальция в организме снижается. Поэтому при потребности большого количества грубых кормов в зимний период животные испытывают повышенную потребность в кальции. На всасывание кальция влияют фосфор, натрий и калий, содержащиеся в кормах. Оптимальное отношение кальция и фосфора в рационах 2:1. Прямое влияние на отношение кальция оказывает витамин D. При его недостатке или отсутствии в рационе всасывание кальция в кишечном тракте снижается, даже если его поступает достаточное количество, и он находится в правильном соотношении с фосфором.

Усвоение кальция в организме животных зависит от ряда факторов. Кальций относится к трудноусвояемым элементам. Щелочная среда тонкого кишечника способствует образованию соединений кальция, и лишь воздействие на них желчных кислот позволяет перевести кальций в усвояемое состояние. Усвояемость кальция зависит также от его соотношения с другими компонентами корма, в первую очередь - с жирами, магнием и фосфором. Наибольшее количество кальция всасывается, если на каждый грамм введенного с кормом жира приходится около 300 мг кальция. Нарушение этой пропорции в сторону уменьшения или увеличения одинаково отрицательно сказывается на усвоение кальция организмом.

При недостаточном поступлении жира образуется слишком мало кальциевых солей жирных кислот, дающих растворимые комплексные соединения с желчными кислотами. При чрезмерно жирном корме не хватает желчных кислот, чтобы перевести все кальциевые соли жирных кислот в растворимое состояние, и значительная часть кальция выделяется с экскрементами.

Для нормального усвоения кальция кроме жира требуется присутствие в организме животных других веществ, стимулирующих его всасывание. К таким веществам относятся: сахара - лактоза, галактоза, целлобиоза; спирты - маннит, сорбит, холин; органические кислоты - молочная, уксусная и лимонная. Однако некоторые другие органические кислоты, особенно инозитфосфорная (фитиновая) кислота (содержится в зерне злаковых и продуктах его переработки) и щавелевая кислота, резко отрицательно влияют на всасываемость кальция. Эти кислоты образуют с кальцием нерастворимые в воде и совершенно не усвояемые соединения.

Хорошим источником кальция является и яичная скорлупа, она содержит до 86% углекислого кальция. Но без термической обработки она может стать разносчиком патогенной микрофлоры, в первую очередь сальмонелл. Содержит кальция на уровне вышеуказанных компонентов (в среднем 32%), наиболее применяемый в комбикормовый промышленности.

В комбикорм иногда вводят доломитовый известняк. При вводе его в комбикорм в большом количестве может возникнуть избыток магния, так как доломитовый известняк содержит до 11% магния. Это может иметь место при обеспечении потребности кур-несушек в кальции за счет доломитового известняка (муки), когда требуется его ввести в комбикорм не менее 6%.

Мел, известняк, ракушечник на 83-90% представлены углекислым кальцием. Эта соль при растворении в воде и других полярных растворителях диссоциирует на ионы, имеющие положительный заряд. Такие ионы именуются катионами. Углекислый кальций относится к кислым солям. Сухой молотый мел и известняковая мука по физическим свойствам и химическому составу идентичны. Их отличают места расположения в природных условиях. Ракушечная мука получается от переработки моллюсков. Все указанные три компонента содержат в среднем 32-33% кальция, хорошо усвояемого с/х животными и птицей.



2. Методы определения кальция. Теоретические основы методов анализа

2.1 Титриметрический метод. Комплексонометрия

Титриметрический анализ (титрование) - это метод количественного анализа, который часто применяется в аналитической химии, основанный на измерении объема раствора реактива точно известной концентрации, расходуемого для реакции с определяемым веществом. Титрование производят с помощью бюретки, заполненной титрантом до нулевой отметки.

Комплексонометрия основана на образовании в щелочной среде малодиссоциированного комплексного соединения кальция с динатриевой солью этилендиамин-N',N',N',N'-тетрауксусной кислоты (трилон Б) и определении эквивалентной точки при титровании с использованием металл-индикаторов.

Особенностью комплексонометрии является то, что в качестве основных титрантов в ней используются специфические вещества - комплексоны, образующие с определяемыми реагентами (катионами металлов) так называемые хелатные (внутрикомплексные) соединения. Комплексоны - это вещества, относящиеся к группе аминополикарбоновых кислот.

Хотя число комплексонов в настоящее время составляет не одну сотню, под термином «комплексонометрия» («хелатометрия») обычно подразумевают титрование солями этилендиаминтетрауксусной кислоты, чаще всего двузамещенной натриевой солью Na₂H₂Y * 2Н₂0, широко известной под названием комплексон III, трилон Б. Структурнографическая формула изображена на рисунке 1.



Рис 1. Структурнографическая формула трилона Б

Таким образом, основным рабочим раствором комплексонометрии является Na₂H₂Y * 2Н₂0. Эта соль легко получается в чистом виде, хорошо растворима в воде, растворы устойчивы при хранении. В обычных условиях препарат содержит примерно 0,3 % влаги, поэтому титрованные растворы ЭДТА можно приготовить по точной навеске (с учетом 0,3 % Н₂0). Применяемые для титрования растворы ЭДТА имеют концентрацию 0,01-0,05 моль/л и реже - 0,1 моль/л.

Наиболее ценным свойством ЭДТА как титранта является его способность реагировать с ионами металлов в со­отношении 1:1 независимо от заряда катиона. Эти реакции могут быть записаны в виде:

Ме²⁺ + H₂Y^2- - MeY^2- + 2Н⁺;

Ме³⁺ + H₂Y^2- - MeY^2- + 2Н⁺;

Ме⁴⁺ + H₂Y^2- - MeY^2- + 2Н⁺,

где H₂Y^2- - анион двузамещенной соли ЭДТА.

Все катионы реагируют с ЭДТА, за исключением катионов щелочных металлов. Высокая устойчивость комплексов обусловлена наличием в молекуле ЭДТА нескольких донорных групп.

Упрощенная схема взаимодействия ЭДТА с ионом, двухвалентного металла, например, Са²⁺ с образованием хелатного соединения может выглядеть так:

Na₂H₂Y^2- +Ca²⁺ - Na₂CaY^2- + 2H ⁺ 

При взаимодействии иона металла и ЭДТА в процессе титрования происходит выделение ионов водорода. Учитывая обратимость этого взаимодействия, полноту протекания реакции увеличивают при повышении рН раствора, что достигается введением в раствор аммиачного буфера или щелочи. В некоторых случаях, однако, при повышении рН может образовываться гидроксид металла. Поэтому при работе с комплексоном добиваются оптимального значения рН раствора, зависящего от прочности комплекса и растворимости соответствующего гидроксида. Например, ион Fe³⁺ образует очень прочный комплекс с трилоном Б и очень труднорастворимый гидроксид. Реакция комплексообразования может протекать при рН не выше 3. Катион кальция, наоборот, образует сравнительно хорошо растворимый гидроксид и малоустойчивый комплекс, реакция с комплексоном возможна при рН 9 - 10.

Указанные выше свойства комплексонов широко используют для комплексонометрического титрования многих катионов и анионов (косвенным методом). Для этого применяют метод прямого и обратного титрования.

Метод прямого титрования. Титрование ведут при определенном значении рН стандартным (рабочим) раствором ЭДТА. Точку эквивалентности устанавливают с помощью металлиндикаторов, в моем случае с помомщью эриохрома черного Т. Этот индикаторы представляют собой органические красители, образующие с катионами окрашенные комплексные соединения.

При титровании комплексоном такого окрашенного комплексного соединения оно постепенно разлагается вследствие образования нового более прочного внутрикомплексного соединения катиона с комплексоном. В точке эквивалентности первоначальный цвет комплексного соединения, образуемого индикатором с определяемым катионом, исчезает и появляется окраска, свойственная свободному индикатору.

Метод обратного титрования. К анализируемому раствору прибавляют измеренный объем стандартного раствора ЭДТА, избыток которого оттитровывают стандартным раствором соли цинка в присутствии металл-индикатора, реагирующего с ионами цинка.

2.1.1 Комплексонометрические индикаторы

Некоторые органические красители образуют с катионами металлов окрашенные комплексы с гораздо меньшими значениями рH, т. е. гораздо менее стойкие, чем комплексы, образующиеся с комплексонами, из которых готовят рабочие растворы в комплексонометрии. Такие окрашенные соединения, образующие с определяемыми ионами металлов малоустойчивые комплексы, используют в качестве комплексонометрических индикаторов. Окраска комплексного соединения индикатора отличается от окраски свободного индикатора. Поэтому в процессе титрования комплексное соединение индикатора с катионом металла разрушается и индикатор выделяется в свободном виде, при этом происходит изменение окраски титруемого раствора, особенно заметное в точке эквивалентности. Схематически это можно представить следующим образом:

1. До титрования

Kt²⁺ + 2HInd Ktlnd₂ + 2H⁺

Бесцветный синий красный

2. Во время титрования и в точке эквивалентности

KtInd₂ + H₂Y^2- - KtY^2- + 2HInd

красный синий

В качестве индикатора в комплексонометрии применяют эриохром черный Т.

Эриохром черный Т -- диазокраситель, обладающий свойствами кислотно-основного индикатора, с точками перехода при рН=6,3 из неярко-красного в синий и при рН = 11,5 из синего в оранжевый. Индикатор окрашен в синий цвет. Окраска комплекса с ионами металлов красная.

Эриохром черный Т растворим в спирте, но растворы неустойчивы. Удобнее пользоваться сухой смесью с NaCl, приготовленной в соотношении 1:200.

2.1.2 Преимущества комплексонометрического метода

Введение комплексонов в аналитическую практику расширило возможности химического анализа вообще и объемного метода в частности.

Как было указано ранее, объемно-аналитические методы анализа отличаются простотой и скоростью, что имеет решающее значе­ние в практике промышленных лабораторий. Но до введения комплексонов объемно-аналитическими методами можно было определять лишь ограниченное число металлов. Комплексоны же позволяют определять объемными методами почти все металлы. Только ЭДТА образует комплексы с 44 катионами, из которых только Ag⁺ Hg²⁺, Ва²⁺ и катионы щелочных металлов обычно комплексонометрически не определяются (ртуть можно определять методом обратного титрования).

Большим достоинством комплексонов является то, что в ряде случаев представляется возможность титровать одни катионы в присутствии других, не прибегая к предварительному их разделению.

Комплексоны, являясь кислотами или их кислыми солями, при взаимодействии с катионами независимо от их степени окисления образуют ионы водорода, например:

Са²⁺+ H₂Y^2- > CaY^2- + 2H⁺

Поэтому титрование комплексонами можно проводить по методу нейтрализации, пользуясь кислотно-основными индикаторами.

2.2 Атомно-абсорбционный метод

В анализе на элементный состав лучше себя показывает атомно-абсорбционный метод. Это выражается в скорости анализа, более точном определении концентрации искомых элементов, огромном количестве определяемых элементов.

2.2.1 Принцип метода

Атомно-абсорбционная спектрометрия - метод количественного элементного анализа, основанный на измерении поглощения (абсорбции) невозбужденными атомами определяемого элемента, находящимися в состоянии атомного пара, характеристического излучения определяемого элемента.

В ходе анализа часть анализируемого образца переводится в состояние атомного пара. Сквозь этот пар пропускают излучение, характерное для определяемого элемента. Свободные невозбужденные атомы, находящиеся в атомном паре, поглощают часть квантов света пропускаемого излучения. Причем, чем больше концентрация атомов определяемого элемента в атомном паре, тем больше интенсивность поглощения. Измеряя интенсивность поглощения, можно определить содержание определяемого элемента в анализируемом образце.

Таким образом, аналитическим сигналом в методе атомно-абсорбционной спектрометрии служит интенсивность поглощения, т. е. уменьшение интенсивности излучения.

Зависимость интенсивности светового потока, прошедшего через атомный пар, от концентрации поглощающих частиц пробы с выражается законом Бугера-Ламберта-Бера:



или, вводя, величину А, которая называется оптической плотностью:

где I₀ - интенсивность падающего излучения;

I- интенсивность выходящего излучения;

- коэффициент поглощения при длине волны;

l-толщина поглощающего слоя;

C-концентрация атомов.

При контролируемых условиях атомизации концентрация поглощающих частиц в атомизаторе прямо пропорциональна концентрации определяемого элемента в анализируемом растворе, поэтому градуировочную кривую в методе атомно-абсорбционной спектрометрии можно строить непосредственно в координатах интенсивность поглощения - концентрация градуировочных растворов.

2.2.2 Атомизация анализируемого вещества

Для получения атомного пара в методе атомно-абсорбционной спектрометрии используют пламя или электротермические атомизаторы.

Пламя получают при помощи химической реакции между горючим газом и газом-окислителем. В качестве горючих газов чаще всего используют метан, пропан и ацетилен, а в качестве газов-окислителей - воздух, кислород, монооксиддиазота N₂O. В результате экзотермической реакции между этими веществами выделяется большое количество энергии в виде теплоты сгорания. Пламя обычно горит при атмосферном давлении.



2.2.3 Поглощаемое излучение

Атомные линии поглощения очень узкие (10^-3 - 10^-2нм). Поэтому при облучении атомов немонохроматическим излучением, поглощается только очень небольшая часть квантов света, а большая часть светового потока проходит через атомный пар без изменений. Возникает технически очень сложная задача определения малой величины изменения светового потока. По этой причине в атомно-абсорбционной спектроскопии нельзя использовать источники излучения, дающие непрерывный спектр.

В атомно-абсорбционной спектрометрии используют источники излучения, дающие линейчатые спектры. Ширина линий в испускаемом спектре должна быть меньше, чем ширина линий в спектре поглощения атомов определяемого элемента.

Ширина линий в атомном спектре зависит от следующих факторов:

1) естественного уширения, которое составляет примерно 10^-5нм и объясняется соотношением неопределенностей Гейзенберга;

2) допплеровского уширения, которое примерно в 100 раз больше, чем естественное. Причиной этого уширения служит эффект Допплера, который в применении к атомно-абсорбционной спектрометрии заключается в том, что атомы, движущиеся в направлении распространения излучения, поглощают при более низких частотах, а движущиеся навстречу излучению поглощают при более низких частотах. Допплеровское уширение зависит от температуры, длины волны излучения и массы атома.

3) лоренцевское уширение, которое на два-три порядка больше естественного уширения. Причиной этого уширения являются столкновения атомов с другими атомами или ионами. Число столкновений зависит от давления: чем выше давление, тем больше вероятность столкновения. В результате столкновений происходит уширение спектральных линий вследствие расщепления энергетических уровней атомов.



2.2.4 Поглощение квантов света свободными атомами

В соответствии с законом Больцмана:

Где: N_k - число атомов в возбужденном состоянии;

N - общее число атомов в плазме;

g_k и g₀ - статистические веса возбужденного и нормального состояний;

Е_k - энергия возбуждения k-го уровня, k - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура.

Даже при высоких температурах (вплоть до 5000 К) подавляющая часть свободных атомов находится в основном состоянии.

Поглощая квант света с энергией, свободный атом переходит из основного состояния в возбужденное состояние.

Обычно осуществляется переход из основного состояния на уровень, ближайший к основному состоянию. Такой переход называют резонансным. Если на невозбужденные атомы воздействует излучение с частотой, равной частоте резонансного перехода для атомов данного элемента, то такое излучение эффективно поглощается атомами и его интенсивность уменьшается.

Возбужденное состояние свободных атомов неустойчиво. Они быстро возвращаются в основное состояние, испуская кванты света. Если частота испускаемого атомами излучения равна частоте поглощенного излучения, то такой процесс называют резонансной флуоресценцией.

В атомно-абсорбционной спектрометрии используют переходы атомов из основного состояния на энергетический уровень, ближайший к основному, т.е. резонансный переход.



2.2.5 Устройство спектрофотометра

Рис. 1.1 Принципиальная схема спектрофотометра

Где: 1-Лампа с полым катодом; 2 -Атомизатор; 3 -Монохроматор; 4 -Детектор; 5 -ПК. 6 -Полупрозрачное зеркало; 7 -Обтюратор; 8 -Поворотное зеркало.

2.3 Атомизаторы

Атомизатор - одна из главных частей атомно-абсорбционного спектрофотометра. В нем происходят процессы, определяющие метрологические характеристики метода анализа полезные: плавление, испарение, атомизация и мешающие: возбуждение, ионизация атомов.

Рис. 2.1Схема процессов в атомизаторе



2.3.1 Пламенные атомизатор

В атомно-абсорбционном спектрофотометре используется метод атомно-абсорбционного спектрального анализа с пламенной атомизацией.

В пламенной горелке в зависимости от определяемых элементов используется пламя смесей: «ацетилен - воздух», «ацетилен - закись азота».

Рис. 2.2 Рисунок пламенной горелки

Рис. 2.3 Схема пламенной горелки с распылителем

Где: 1 - конденсационная камера; 2 - анализируемый раствор; 3 -капилляр; 4 - подача воздуха под давлением; 5 - вращающиеся лопасти; 6 - слив конденсата.



2.3.2 Электротермический атомизатор

Рис. 2.4 Графитовая печь для анализа растворов

Рис. 2.5 Графитовая печь для анализа твердых образцов

Рис. 2.6 Схема графитовой печи

Где 1 -графитовая трубка; 2 - отверстие для ввода пробы 3 - электроконтакты; 4 - источник тока; 5 - проба.

На электроконтакты подается постоянное напряжение от мощного источника. Печь разогревается. Капли раствора при нагревании печи испаряются и пар заполняет всю трубку. Сила тока - несколько сотен ампер. Температура печи - до 3000o C. Печь располагается внутри охлаждаемой водой камеры. Во избежание разрушения печи при сильном нагревании ее охлаждают инертным газом. Также боковые отверстия трубки обдуваются инертным газом для уменьшения потерь атомов.

Абсорбционность определяется длиной трубки и концентрацией свободных атомов, которая, зависит от температуры и от объема внутренней полости печи.

На абсорбционность можно повлиять, изменяя скорость испарения путем изменения мощности тока.

В печи все введенное количество раствора полностью превращается в пар, в пламени лишь-10%.

Объем, печи значительно меньше, чем в пламени, а время пребывания атомов - значительно больше.

При одной и той же концентрации элемента в растворе концентрация его паров в печи значительно больше. В печи можно получить более низкие пределы обнаружения.

2.3.3 Программа нагрева печи

Повышение воспроизводимости достигается разделением по этапам процессов в атомизаторе. Это возможно при ступенчатом повышении тока.

Рис. 2.7 График ступенчатого повышения тока

Где: 1 - высушивание капли; 2 - термическое разрушение сплава, сублимация (испарение); 3 - атомизация; 4 - прокаливание для очистки трубки. 

2.3.4 Комбинированные атомизаторы

Печь - Пламя

Порошкообразная проба вносится в отверстие угольного электрода, помещенного в пламя. Электрод нагревают электрическим током. Проба в отверстии электрода быстро нагревается, плавится и испаряется в пламя, где происходит ее атомизация.

Применение - анализ порошков на содержание 25 легколетучих элементов. Предел обнаружения 10^-10 - 10^-11г.

Рис. 2.8 Угольный электрод в пламени

Капсула - Пламя

Капсула - полая трубка из графита с хорошей газопроницаемостью.

Пробу помещают внутрь капсулы. Капсулу с пробой устанавливают в пламени. При нагревании капсулы проба испаряется и через пористые стенки капсулы пары поступают в пламя.

Применение - анализ твердых образцов: горных пород, минералов и руд, образцов органического и биологического происхождения, чистых реактивов, полупроводников.

Предел обнаружения-10^-13 - 10^-14 г 

Рис. 2.9 Капсула в пламени

Оптическая система прибора базируются на монохроматоре с дифракционной решеткой по схеме Черни-Тернера, работающего в первом порядке спектра. Прибор был построен по двулучевой схеме. Фокусное расстояние объективов 250 мм, фокусное расстояние - 330 мм.

2.4 Оптические диспергирующие системы

В атомно-абсорбционной спектрометрии роль монохроматора заключается в отсечении лишних линий испускания лампы с полым катодом, молекулярных полос и постороннего внешнего излучения. Использование светофильтров в атомно-абсорбционной спектрометрии невозможно, так как у них слишком широкие спектральные полосы пропускания.

Большинство оптических диспергирующих систем, используемых в атомно-абсорбционной спектрометрии, предназначено для одноэлементного определения. Для выбора линий в них используют монохроматор на основе вращающейся плоской решетки. Плоская дифракционная решетка состоит из периодических штрихов или линий на плоской поверхности. Эти штрихи или линии налагают периодическое изменение на амплитуду и фазу падающей волны. Каждый штрих действует как узкое зеркало, переизлучающее свет. Когда параллельный луч падает на плоскую решетку (рис.) под углом, то для вычисления угла дифрагированного луча при данной монохроматической длине волны используют уравнение решетки:

Рис. 2.10 Периодических штрихи на плоской дифракционной решетке

Принцип действия плоской дифракционной решетки: расстояние между двумя последовательными штрихами АВ = а; это расстояние связано с плотностью штрихов n соотношением n = 1/а; нормаль (перпендикуляр) к поверхности штриха образует угол с нормалью к поверхности решетки; на штрихи решетки под углом к ее нормали падает параллельный луч (показан зеленым цветом); свет отражается от поверхности штриха так, что угол между направлением отраженного луча и нормалью к поверхности решетки равен.

Многочисленные отраженные лучи (показаны зеленым цветом) интерферируют и создают явление дифракции. Все лучи будут усилены, когда разность хода приведет к конструктивной интерференции, т.е. когда разность хода равна целому числу длин волны.

Обычно используют дифракционные решетки, содержащие 1200-1800 штрихов на миллиметр. Полезный спектральный диапазон составляет 180-860 нм. Обратная линейная дисперсия составляет от 0,1 до 2 нм/мм.

Данный метод следует использовать в качестве арбитражного.



3. Практическая часть

Для проведения исследования были выбраны мясокостная мука и куриная мука, потому что они важный продукт переработки отходов мясной и рыбной промышленности. Широко используются животноводческими хозяйствами и птицефермами в качестве ценного белкового корма, источника минералов, витаминов, микроэлементов таких как кальций, фосфор и других полезных соединений. Их добавки в зерно и в прочие корма позволяют достигнуть сбалансированности состава и норм питания, существенно увеличить продуктивность рогатого скота, свиней и кур, ускорить выращивание молодняка.

Регулярное употребление животными и птицами такой муки позволяет им улучшить иммунитет, снизить риск нарушения обмена веществ, минерального дефицита, болезней нервов, сердца и сосудов. Применяется также в качестве удобрения и для заполнения дефектов костей в медицине.

В ходе проведения работы были выбраны следующие методы определения кальция титриметрический метод (комплексонометрия) и атомно-абсорбционный метод так как эти методы идеально подходят к определению кальция.

3.1 Подготовка пробы для анализа титриметрическим методом

При титриметрическом определении в качестве пробоподготовки используют метод сухого озоления, в ходе которого пробу навеской 5-10г высушивают в муфельной печи при температуре 550±25°С до получения золы светло-серого или белого цвета.

После тигель охлаждают, золу смачивают несколькими каплями дистиллированной воды, добавляют 2 см³ соляной кислоты, разбавленной дистиллированной водой в два раза, 5-10 см³ дистиллированной воды, далее перемешивают стеклянной палочкой и количественно переносят в мерную колбу вместимостью 100 см³.

Дальше тигель тщательно промывают дистиллированной водой, воду сливают в колбу, доводят объем раствора в колбе водой до метки и тщательно перемешивают. При наличии в колбе осадка раствор фильтруют через бумажный фильтр.

Одновременно проводят контрольный опыт, повторяя все вышеперечисленные процедуры.

3.1.1 Проведение испытания титриметрическим методом

Испытуемый раствор пробы в количестве 20 см³ переносят пипеткой в широкогорлые колбы вместимостью 250 см³, добавляя примерно от 95 до 80 см³ дистиллированной воды, 30 мг лимоннокислого натрия, 30 мг гидроксиламина, 10 см³ 20%-ного раствора гидроокиси калия, 5-10 капель эриохром черный Т, перемешивают и титруют, не позднее чем через 10 минут после добавления реактивов, раствором трилона Б концентрации 0,01 моль/дм³ в присутствии раствора сравнения (контрольного раствора) до изменения окраски от красно-фиолетовой до синей - при использовании индикатора калькон, от ярко-зеленой до розовой - в присутствии индикатора кальцеин.

Раствор сравнения готовят налив 100 см³ дистиллированной воды в коническую колбу вместимостью 250 см³, добавляют вышеперечисленные реактивы в аналогичной последовательности и несколько капель трилона Б. Полученный раствор используют для сравнения.

Также можно заменить 30 мг лимоннокислого натрия и 30 мг гидроксиламина раствором триэтаноламина в количестве 3 см³.

Аналогично проводят испытание контрольного раствора.

3.2 Подготовка пробы в атомно-абсорбционном методе

Для атомно-абсорбционного метода в качестве пробоподготовки можно использовать как сухое озоление так и микроволновое озоление.

3.2.1 Приготовление исходных растворов

В качестве исходных растворов ионов кальция используют государственные стандартные образцы (ГСО) состава водных растворов ионов кальция массовой концентрации 1,0 г/дм³.

В качестве фонового раствора для установления нулевого значения абсорбции используют буферный раствор, разведенный 1:10.

Чтобы приготовить раствор азотной кислоты молярной концентрации 1,0 моль/дм³, в мерную колбу вместимостью 1000 см³ вносят 400-500 см³ дистиллированной воды, а затем добавляют 67±1 см³ концентрированной азотной кислоты, доводят объем до метки дистиллированной водой и перемешивают.

3.2.2 Приготовление градуировочных растворов

Для определяемого элемента готовят три градуировочных растворов точным разведением исходных растворов, при этом массовые концентрации градуировочных растворов должны находиться в диапазоне линейной зависимости абсорбции от концентрации элемента для данного спектрометра.

В мерных колбах вместимостью 50 см³ готовят градуировочные растворы, путем разбавления ГСО раствором азотной кислоты молярной концентрации 1,0 моль/дм³ и фоновым раствором в соотношении 1:1. Нужно приготовить градуировочные растворы ионов кальция массовой концентрации: 2,0; 5,0; 10,0 мг/дм³. В обязательном порядке градуировочные растворы готовят в день проведения анализа.

Под диапазоны концентраций определяемых элементов, в которых градуировочные кривые имеют линейную зависимость, составляют от 2 до 25 мг/дм³.

Если концентрация определяемого элемента превышает данные диапазоны, пробу разбавляют для получения более достоверных результатов.

3.2.3 Подготовка раствора пробы

Для анализа провел минерализацию пробы под давлением.

Охлажденный сосуд с минерализатом помещают в вытяжной шкаф и выдерживают открытым не менее 3 ч. Затем для предотвращения контаминации сосуд прикрывают бумагой. Далее минерализат дегазируют на ультразвуковой бане в течение 5 минут. Дегазированный минерализат разбавляют буферным раствором до нужного объема (в зависимости от предполагаемого количества элемента в пробе), соблюдая условие: в минерализате, разбавленном до объема 20 см³, должно содержаться не более 4 см³ азотной кислоты, с учетом ее объема, добавленного к пробе перед минерализацией.

Полученный раствор пробы снова дегазируют на ультразвуковой бане с целью уменьшения влияния окислов азота на результат. Цвет раствора пробы должен быть от бесцветного до светло-желтого.

Минерализованный раствор пробы продукта разводят таким образом, чтобы ожидаемая концентрация элемента в растворе находилась в области градуировочного графика.

Одновременно готовят холостую пробу.

3.2.4 Проведение испытаний

Испытания были проведены на приборе Спектрофотометр Spectr AA мод 280FS с пламенным атомизатором.

Основные технические характеристики:

Таблица 1

Диапазон длин волн, нм	185-900
Ширина щели, нм	0,1; 0,2; 0,5; 1,0 + 0,2R; 0.5R; 1.0R
Диапазон коррекции фона	0-2,5 А; 185-425 нм;
Тип монохроматора	Черни-Тэрнера, автоматический; 330мм, голографическая решетка 1800 линий/мм
Оптическая схема	Двухлучевая
Система установки ламп	Автоматическая турель на 8 ламп
Распылитель	Двухпозиционный Hi-Vac, юстируемый
Блок контроля газов	Программируемый (блок Хаммера)
Система безопасности	Отдельные кнопки поджига и выключения пламени, 8-стадийная система блокировки
Чувствительность	>0,75 А с точностью < 0,5% RSD (время интегрирования 5 с, 10 повторностей) для 5 мг/л раствора меди
Система обработки данных	Внешний компьютерный контроль с ПО в среде Windows
Потребляемая мощность	470 Вт

Градуировочные растворы и растворы пробы анализировали в соответствии с инструкцией по эксплуатации спектрометра.

Для проведения измерений использовали только растворы.

Компенсировали фоновый сигнал прибора по фоновым растворам. Для градуировки прибора проводили двукратные измерения абсорбции градуировочных растворов различных концентраций, при соответствующей настройке автоматической программы обработки данных.

Помимо этого, провели холостой опыт, включающий все стадии, с использованием реактивов, применявшихся в данной серии испытаний.



4. Обработка результатов

При проведении анализа кормов на содержание кальция титриметрическим и атомно-абсорбционным методами, были получены следующие данные.

4.1 Титриметрический метод

Таблица 2

Название кормовой муки	№	Масса навески, г	Объем трилона Б, мл
Мясокостная мука	1	0,3454	1,26
	2	0,3157	1,96
Куриная мука	3	0,2934	0,92
	4	0,3322	1,06
	5	0,3716	0,98
	6	0,3770	1,21
Контрольный раствор	0,90

Массовую долю кальция в исследуемой пробе, вычисляют по формуле:

Где: C_Трб- концентрация раствора трилона Б, моль/дм;

V_м.к.- объем исходного раствора, см;

V_ТрБ- объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование исследуемого раствора, см;

V_КР- объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование контрольного раствора, см³;

V_ал- объем исследуемого раствора, взятый для титрования, см³;

m- масса образца, г;

0,04008 - масса кальция, соответствующая 1 см раствора трилона Б 1 моль/дм³, г;

10³ - коэффициент пересчета единиц измерения г в мг.

После расчета конечный результат представлен в общей таблице 3.

4.2 Атомно-абсорбционный метод

Так как в атомно-абсорбционном методе используется прибор, подключенный к персональному компьютеру, то полученные данные обрабатывает персональный компьютер, который и выдает конечный результат, приведенный в общей таблице 3.

Таблица 3

№	Атомно-абсорбционный, %	Титриметрический, %
1	2,27	2,08
2	1,62	1,96
3	0,18	0,14
4	1,05	0,96
5	0,54	0,45
6	1,59	1,64



Заключение

Исходя из проделанной работы можно сделать следующие выводы:

Сегодня уже ни у кого не вызывает сомнения, что биологическая роль микроэлементов в жизни и растений, и животных, и человека очень велика. Микроэлементы являются незаменимыми, их роль выражается во многом, к примеру свинки, имеют возможность синтезировать полный спектр ферментов, позволяющих более интенсивно использовать энергию; микроэлементы усиливают восстановительную активность тканей и препятствуют заболеваниям; микроэлементы повышают иммунитет свинок.

Кальций играет важнейшую роль в обеспечении функционирования организма, в частности отвечает за свертывания крови и передачу нервных импульсов.

Также лучшим из этих методов является атомно-абсорбционный метод так как в нем выше чувствительность, также из-за возможности использования различных модификаторов повышается достоверность результатов. Еще с помощью атомно-абсорбционного метода повышается скорость анализа так как в современных реалиях рядом с точностью анализа стоит его же скорость проведения. Но исходя из данных в таблице 3, можно сделать вывод, что результаты схожи и использование титриметрического метода имеет место быть, если нет возможности использования или же нет средств на атомно-абсорбционный анализ.

...