Cele i zadania:

Postęp w naukach przyrodniczych spowodował rozwój sprawnych i czułych technik oraz metod pomiarowych w badaniu i ochronie środowiska. Nie do pomyślenia byłby rozwój chemii środowiska bez udziału dokładnych, dobrze opracowanych procedur analitycznych. Analityka dostarcza informacji, które służą do oceny aktualnej sytuacji ekologicznej, do zbilansowania transportu materii, wyjaśnienia przyczyn zanieczyszczenia środowiska oraz do wskazania metod zapobiegania temu groźnemu w skutkach zjawisku, a więc i jego ochronie. Nowe wysoko sprawne techniki analityczne znajdują zastosowanie do rozwiązania coraz większej ilości pojawiających się problemów ekologicznych.

Ideą badań analitycznych środowiska naturalnego jest zrozumienie i określenie jakościowego i ilościowego składu różnego rodzaju fragmentów oraz ich zmian w czasie. Programy kompleksowej obserwacji i systematycznych badań środowiska (monitoringu) są czasochłonne, kosztowne i nie zawsze niezawodne (prezentują bowiem one z jednego ekosystemu wiele analitycznych sygnałów, które jednak ze względu na różne poziomy stężeń, zróżnicowana czułość stosowanych technik i możliwość zakłóceń przy pomiarach obarczane mogą być błędami). Mimo to są one niezbędne przy kontroli emisji do uruchamiania systemów informacyjnych o przekraczaniu dopuszczalnych stężeń różnorodnych zanieczyszczeń oraz uruchamiania systemów sterujących wpływem zanieczyszczeń do środowiska. Wynikiem dobrego funkcjonowania takiego systemu jest poprawna interpretacja informacji analitycznych Rutynowe oznaczenie tzw. Parametrów sumarycznych:

  • pH, przewodnictwo,
  • chemiczne i biologiczne zapotrzebowanie tlenu,
  • zawartość węgla organicznego,
  • radioaktywność i toksyczność,

należą dziś do standardowych technik kontroli stanu naturalnego środowiska

Informacja o składzie środowiska i aktualnych stężeń wybranych substancji toksycznych mogą być otrzymane metodami chemicznymi, fizycznymi oraz biologicznymi. Należą do nich zarówno bardzo czułe i dokładne metody instrumentalne jak i pół ilościowe testy (np. Rurki wskaźnikowe, papierki zamieniające barwę pod wpływem obecności substancji toksycznych i in). Metody testowe, mimo iż swoją czułością i niezawodnością nie dorównują metodom instrumentalnym, są często stosowane do szybkiej oceny skażeń wód i powietrza i są łatwe w użyciu w badaniach terenowych. W przypadku ilościowego oznaczania pierwiastków i związków toksycznych występujących w środowisku i w bardzo małych stężeniach (w ilościach składowych) stosowane są metody wydzielania i wzbogacania. Znacznie lepiej jest jednak gdyż stosowane metody analityczne są na tyle czułe, że umożliwiają oznaczenie stężeń o jeden lub dwa rzędy wielkości mniejszych od ich naturalnych zawartości w środowisku. Najwygodniejsze są te metody analityczne, które nie wymagają pracochłonnym operacji związanych z oddzielaniem matrycy lub wydzielaniem oznaczonych substancji. Metody analityczne stosowane w badaniu środowiska do jakościowego i ilościowego oznaczania toksycznych w środowisku naturalnym są ciągle udoskonalane. Chemia stała się osobną dziedziną nauki zajmująca się badaniem środowiska - niezwykle obszerną jej częścią. Tradycyjne metody analityczne, jak np.:

  • wagowe
  • miareczkowe
  • kolorymetryczne

tak bardzo zasłużone w rozwoju chemii nieorganicznej, będące również dziś w użyciu do oznakowania np. Związków rozpuszczalnych w wodzie, zostały wyparte początkowo przez metody elektroanalityczne i spektroskopowe, a w ostatnich 30 latach zastopowane są stopniowo przez zautomatyzowane techniki instrumentalne. Dziś metodami automatycznymi możliwe jest szybkie, czułe i selektywne oznaczanie substancji toksycznych w środowisku. Część z tych metod jest w pełni zautomatyzowana i umożliwia ciągłe śledzenie zmieniających się stężeń. Możliwe jest sprzężenie takiej aparatury badawczej z systemami alarmowymi sygnalizującymi przekroczenie norm zanieczyszczenia wody, powietrza albo z systemami wyłączającymi wadliwie funkcjonujące instalacje przemysłowe. Analitycy potrafią oznaczać różne pierwiastki w próbach naturalnych nawet na poziomie pojedynczych ng/kg i uważają, biorąc pod uwagę naturalny rozkład pierwiastków w litosferze, że każdy pierwiastek może być wykryty w każdej próbce naturalnej.

Każdy problem analityczny związany z badaniem środowiska obejmuje zasadniczo trzy etapy:

  1. pobór reprezentatywnej próbki ze środowiska (możliwie nie wywierając wpływu na badane środowisko)
  2. wydzielanie względnie zatężanie oznaczanych substancji w badanej próbce, nie zmieniając struktury oznaczanych związków (ekstrakcja rozpuszczalnikami, metody chromatograficzne, wymiana jonowa, adsorpcja)
  3. ilościowe oznaczanie substancji za pomocą wystarczająco czułego detektora

Próby naturalne pochodzą z różnych elementów środowiska naturalnego (woda, biomasa, minerały, aerozole, fazy gazowe) i sa bardzo złożone. Ze względu na przeważnie niskie zawartości interesujących nas substancji, przy poborze prób muszą być zachowane takie warunki aby nie zanieczyścić prób, przede wszystkim substancjami oznaczanymi, które mogą znajdować się w otoczeniu. Należy również wykonać równolegle tzw. Ślepa próbę, która obejmować powinna wszystkie te operacje jakimi poddawana jest próbka naturalna. Współczesna chemia analityczna zmierza w kierunku oznaczania wszelkich form występujących w środowisku pierwiastków i związków oraz obserwacji efektów ekochemicznych związanych z obecnością tych form.

Metody analityczne oznaczania substancji nieorganicznych:

Do oznaczania substancji nieorganicznych w próbach naturalnych, obok metod konwencjonalnych, stosowane są metody umożliwiające oznaczanie małych stężeń - przede wszystkim metody elektrochemiczne, atomowa absorpcja oraz metody aktywacyjne.

Metoda elektrometrycznych należy potencjometria z zastosowaniem elektrod jedno selektywnych. Jest to dziś jedna z najczęściej wzywanych metod rutynowej analityki. Pomiar ta metoda polega na przyporządkowaniu różnicy potencjałów elektrochemicznych termodynamicznej aktywności oznaczonego w roztworze (funkcję te opisuje równanie Nernsta).

Spośród elektrod z membranami stałymi dominującą role odgrywa elektroda szklana, która stosowana jest przede wszystkim do pomiaru aktywności protonów (pomiar pH). Membrana szklana o grubości mniejszej niż 0,2 mm rozdziela dwa wodne roztwory o różnych wartościach pH (roztwór badany i roztwór odniesienia, który znajduje się wewnątrz cienkościennej banieczki i elektrody szklanej). Na tej membranie powstaje różnica potencjałów, która proporcjonalna jest do różnicy pH obu roztworów. Istnieją również typy szklanych czułych na jon (Na+, Cd2+,Pb2+ , Ca2+) oraz anionów (Cl-" Br-, Cn_ i in). W zakresie stężeń 10-1 - 10-6 mol/dm3 . Większość elektrod jedno selektywnych nie jest jednakże jonospecyficzna i reagują one również na obecność innych jonów obecnych w roztworze. Ilościowe ujęcie wpływów innych jonów obrazuje, zmodyfikowane przez Nikolskiego, równanie Nernsta. Wprowadza ono współczynniki selektywności pomiędzy jonem na który dana elektroda jest czuła i jonem przeszkadzającym.

Jony metali i niemetali mogą być oznaczane w ilościach śladowych metodą woltamperometryczną. W metodzie tej uwzględnia się zależności prądów redukcji lub utlenienia substancji od stężenia tych substancji w roztworze. Proces redukcji lub utlenienia przebiega na elektrodach zanurzonych do badanego roztworu. Najczęściej stosowanymi elektrodami są elektrody rtęciowe. Technika w której zastosowano kąpiącą elektrodę rtęciową nosi nazwę polarografii. Do oznaczania wielu metali w ilościach śladowych większe zastosowanie znajduje woltamperometria inwersyjne. W metodzie tej oznaczany metal ulega redukcji na stacjonarnej elektrodzie rtęciowej, na elektrodzie metalowej lub grafitowej. Podczas tego etapu następuje zagęszczenie oznaczonego metalu tzn., że jego stężenie w elektrodzie jest znacznie większe niż w roztworze. W drugim etapie nagromadzony na elektrodzie metal zostaje z niej usunięty przez anodowe utlenienie (anodowy stripping). W wyniku tego procesu obserwuje się przepływ prądu związanego z reakcją elektrodową. Prąd ten, który zarejestrowany jest w kształcie piku , proporcjonalny jest do ilości substancji biorącej udział w procesie elektrodowym, a tym samym do jej stężenia w badanym roztworze. Metoda ta jest precyzyjna techniką, która nadaje się do ilościowego oznaczania jonów metali (oraz niemetali, które mogą być zatężane na powierzchni elektrody w postaci trudno rozpuszczalnych związków). Metoda jest więc znacznie czulsza niż inne metody elektrochemiczne jak:

  • potencjometria
  • kulometria
  • chronopotencjometria

Ta ostatnia technika znalazła zastosowanie w analizie wód i ścieków , polega na potencjostatycznym zatężaniu oznaczonych metali na błonkowej elektrodzie rtęciowej i następnie na chemicznym rozpuszczeniu zatęża łych substancji wielkością mierzoną proporcjonalnie do stężenia oznaczanej substancji w roztworze jest tzw. Czas przejścia, rejestrowany w postaci schodka (czas trwania procesu rozpuszczania zatężonej substancji).

Duża liczbę metod ilościowego oznaczania pierwiastków w próbkach naturalnych obejmuje spektroskpia atomowa w zakresie światła widzianego oraz w ultrafiolecie. W tych metodach wykrywane i ilościowe oznaczanie pierwiastków polega na analizie linii spektakularnych wolnych atomów lub jonów, które powstają podczas termicznego lub elektrycznego wzbudzenia próbki.

Szczególnie czułą metodą dokładnego oznaczania niskich stężeń pierwiastków jest analiza aktywacyjna. Jest to metoda spektroskopii jądrowej. W metodzie tej, pod wpływem naświetlania próbki termicznych neutronami następują przemiany jądrowe, w wyniku których powstają radioaktywne izotopy emitujące promieniowanie. Czasy połowicznego zaniku najważniejszych dla identyfikacji produktów rozpadu promieniotwórczego wynoszą 10-106 s. Ważna zaletą analizy aktywacyjnej jest to, że pomiar promieniowania może być prowadzony w innym miejscu niż naświetlanie próbki, ponieważ względnie długi czas radioaktywnych izotopów gwarantuje wysoką czułość oznaczenia. Do prowadzenia oznaczeń potrzebna jest niewielka masa substancji, co w przypadku drogich lub trudno dostępnych próbek ma duże znaczenie. Metoda analizy stosowana jest jednakże w wyjątkowych przypadkach do analizy próbek naturalnych, ponieważ tańsze są metody elektrochemiczne i metody ASA, a ich dokładność i granice wykrywalności wystarczające do tych celów.