Г. Кристиан - Аналитическая химия, том 1 (1108737), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Сначала для этого использовали бытовые печи, однако их использование было ограничено рядом причин. Сейчас разработаны и используются специальные лабораторные печи; именно они и будут рассмотрены ниже. Микроволновая пробоподготовка позволяет уменьшить время, необходимое для разложения пробы, с нескольких часов до нескольких минут, а также снизить фоновый сигнал благодаря исполъзованию меньших количеств реактивов.
1. Как происходит иагревание в микроволновых печах? Микроволновое излучение занимает в электромагнитном спектре диапазон между инфракрасным и радиочастотным излучением с длиной волны в области от 1000 мкм и выше (300-300000 МГц или 3 . 10з — 3 10" Гц, см. рис. 16.2). Оно состоит из двух составляющих — электрической и магнитной, векторы которых взаимно перпендикулярны. Электрическая составляющая обусловливает перенос энергии от источника излучения к облучаемому объекту. Воздействие микроволнового излучения на частицы вещества проявляется в виде двух эффектов: вращения диполей и ионной проводимости. Первый из них играет более значительную роль.
Когда микроволновое излучение проходит через вещество, молекулы, обладающие дипольным моментом, стремятся ориентироваться так, чтобы он был расположен по направлению вектора электрического поля. Чем полярнее молекула, тем сильнее она взаимодействует с излучением. Это вызывает вращение молекул и приводит к нагреванию вещества. Степень поглощения микроволновой энергии зависит от величины дипольного момента и диэлектрической проницаемости вещества. Энергия поглощается сильнее всего, если время релаксации молекул совпадает с частотой микроволнового излучения. Для больших молекул, например, молекул полимеров, время релаксации слишком велико, но по мере нагревания вещества время релаксации уменьшается, а поглощение энергии возрастает. Наоборот, маленькие молекулы — такие как молекулы воды — релаксируют с частотой, более высокой, чем частота излучения.
По мере нагревания частота релаксации еще более увеличивается, а поглощение энергии в этом случае уменьшается. Явление ионной проводимости состоит в том, что ионы, присутствующие в веществе, под действием переменного электрического поля начинают попере- 2.10, ВЫСУШИВАНИЕ И РАСТВОРЕНИЕ ПРОБ менно двигаться в противоположных направлениях. Это также приводит к нагреванию объекта.
По мере роста температуры ионная проводимость возрастает. Поэтому вещества, содержащие ионы, с ростом температуры поглощают микроволновое излучение все сильнее. Денонизированная вода в микроволновом поле нагревается медленно, но соленые растворы нагреваются очень быстро. Растворы кислот тоже являются хорошими проводниками тока и нагреваются быстро. Таким образом, нагревание вещества в микроволновом поле происходит за счет вращения молекулярных диполей и движения ионов.
Взаимодействие микроволнового излучения с различными веществами может происходить по-разному. Материалы, хорошо отражающие микроволновое излучения — такие как металлы — обладают высокой теплопроводностью. В микроволновом поле онн не нагреваются, а отражают падающее излучение. Вещества-изоляторы прозрачны для микроволнового излучение и также не нагреваются.
Вещества, состоящие из полярных молекул и ионов, хорошо поглощают микроволновое излучения и нагреваются в микроволновом поле. Энергия микроволнового излучения слишком мала для того, чтобы разорвать химические связи (хотя под действием микроволнового излучения многие химические реакции ускоряются; это обстоятельство вызвало повышенный интерес к использованию микроволнового излучения в химическом синтезе). Отмеченные свойства отражающих и изолирующих материалов нашли применение прн изготовлении микроволновых устройств для разложения проб.
2. Конструкция лабораторной микроволновой печи. Для лабораторных целей сначала использовали бытовые микроволновые печи. Однако быстро выяснилось, что они нуждаются в модификации. Бытовые микроволновые печи непригодны для нагревания проб малого размера. Лабораторные пробы обычно значительно меньше по размерам, чем порции пищи, поэтому они поглощают лишь незначительную часть энергии, генерируемой магнетроном. Непоглощенное излучение возвращается к магнетрону, вызывая его перегрев и быстрый выход из строя. Может возникнуть даже короткое замыкание. Поэтому лабораторные печи конструируют так, чтобы защитить магнетрон от излучения. Основными узлами таких печей (рис.
2.27) являются магнетрон, нагрузка, волновод, микроволновая камера и гомогенизатор микроволнового потока. Микроволновое излучение, генерируемое магнетроном, по волноводу направляется в камеру. Гомогеннзатор перемешивает потоки микроволновой энергии н распространяет ее в разных направлениях. Нагрузка изготавливается нз ферромагнитного материала и размещается между магнетроном и волноводом. Она отклоняет микроволновое излучение, возвращающееся из камеры, к массивному керамическому блоку, охлаждаемому вентилятором и, таким образом, защищает магнетрон.
Стандартная частота излучения 2450 МГц, используемая для приготовления пищи, оказалась удобной и для лабораторной работы. Мощность излучения лабораторных печей обычно составляет 1200 Вт. 3. Кислотное разложение в микроволновых печах. Как правило, для предохранения печи от паров кислот разложение проводят в автоклавах — закрытых 98 ОСНОВНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ И ОПЕРАЦИИ ХИМИЧЕСКОГО АНАПИЭА втор Магнет РИС.
2.27. Схематическое устройство лабораторной микроволновой печи [Сз. Ье В!апс, ЕС/6С 5ирр1., 17163) 11999) БЗО). С любезного разрешения ЕС!ОС Малахае пластмассовых сосудах из тефлона РРА (перфторалкоксиэтилена) или поликарбоната. Кроме того, использование автоклавов имеет дополнительные преимущества. Внутри сосуда создается повышенное давление, в результате чего температуры кипения кислот повышаются. В этих условиях разложение происходит быстрее.
Нет и потерь летучих элементов. Современные печи снабжены устройствами контроля давления и температуры (оптоволоконные температурные зонды из материалов, прозрачных для микроволнового излучения). Использование температурного контроля позволяет осуществлять процессы экстракции, ускоряемые под действием микроволнового поля: в этом случае необходимо поддерживать относительно низкие температуры во избежание химического разложения веществ. Пробоподготовка без разрушения или с частичным разрушением матрицы Очевидно, что для определения органических веществ можно использовать только недеструктивные методы пробоподготовки.
Иногда и при определении металлов не возникает необходимости разрушать молекулярную структуру образца, в частности,при анализе биологических жидкостей. Например, ряд металлов в сыворотке крови или моче можно определять атомно-абсорбционным методом путем прямого распыления пробы (при необходимости разбавленной) в пламя горелки. Компоненты твердых веществ, в частности, почв, также иногда определяют без разрушения матрицы, посредством экстракции подходящими реагентами.
Перед экстракцией образец необходимо тщательно измельчить и перемешать, 2.10. ВЫСУШИВАНИЕ И РАСТВОРЕНИЕ ПРОБ а экстракцию проводить при кипячении с обратным холодильником. Следы многих металлов можно экстрагировать из почв 1 М растворами хлорида аммония или уксусной кислоты. Некоторые элементы отгоняют в виде летучих производных, например, селен в виде хлорида или бромида. Безбелковые фильтраты Белки, содержащиеся в биологических жидкостях, мешают при многих определениях. Их следует предварительно отделить, не разрушая матрицу образца.
Для этого используют ряд реагентов, вызывающих коагуляцию и осаждение белков, в частности, трихлоруксусную кислоту, вольфрамовую кислоту (смесь вольфрамата натрия и серной кислоты) или «нейтральную смесь» гидроксида бария и сульфата цинка. К отмеренному обьему пробы (например, сыворотки крови) добавляют отмеренный объем раствора реагента. После осаждения белка (приблизительно через 10 мин) раствор фильтруют через сухой бумажный фильтр (не промывая его) либо центрифугируют, после чего анализируют алнквоту полученного безбелкового фильтрата.
Более подробно о приготовлении различных видов таких фильтратов см. в гл. 24 (разд. «Отбор и хранение проб») и в описаниях соответствующих лабораторных работ. Техника работы при высушивании 'и растворении проб При высушивании и растворении проб следует соблюдать осторожность. Если твердую пробу высушивают в бюксе, то бюкс следует открьпь и поместить вместе с крышкой в стакан во избежание распыления. Стакан подписывают и прикрывают часовым стеклом. Растворение навески проводят в стакане или конической колбе. Если при этом возможно вспенивание, стакан прикрывают часовым стеклом.
После полного растворения пробы стенки сосуда обмывают дистиллированной водой. Часовое стекло также обмывают водой, собирая смывную жидкость в стакан. После этого может потребоваться упарить раствор для уменьшения его объема. Это удобнее всего делать в стакане, неплотно прикрытом часовым стеклом. Раствор нагревают медленно, не доводя до кипения. Для нагревания используют водяную баню или электроплитку с регулятором температуры. Растворение в колбе Кьельдаля удобно тем, что при этом не происходит разбрызгивания раствора. Колбы Кьельдаля (названные так потому, что первоначально их применяли только для определения азота по Кьельдалю) также удобно использовать для всех видов мокрого сжигания органических проб и растворения метаплических образцов в кислотах. Колбы Кьельдаля выпускаются различных объемов от 10 до 800 мл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
