Эмиссионный спектральный анализ

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Теоретическая часть

1.1 Условия проведения качественного эмиссионного анализа

Проведение качественного анализа связано с двумя основными операциями: прежде всего, необходимо получить спектр анализируемой пробы в условиях, обеспечивающих возможно большую чувствительность открытия определяемых элементов. Затем проводят идентификацию ряда спектральных линий, т. е., устанавливают принадлежность линий определенным элементам по их длинам волн. Нужно научиться определять длину волны линии по положению в фокальной поверхности спектрального аппарата, а также уметь делать и обратную операцию: находить в спектре линию по известной длине ее волны.

Все условия проведения анализа необходимо подобрать так, чтобы обнаружить элемент в пробе даже в том случае, если его содержание крайне мало. К условиям проведениям анализа относят: линии, по которым элемент обнаруживается в пробе, приемы отбора и подготовки пробы, способы введения ее в источник света, характеристики источника света, характеристики спектрального приемника света и др.

Предел обнаружения зависти от свойств определяемого элемента, свойств образца, в который он входит, условий получения спектра методики анализа. Как правило, чем сложнее спектр элемента, тем выше предел обнаружения, поскольку при увеличении числа линий в спектре уменьшается доля излучения, приходящегося на каждую линию. По мере увеличения атомного номера элемента увеличивается и предел его обнаружения, так как предел обнаружения определяется массой элемента, а интенсивность линий зависит от концентрации атомов. Предел обнаружения увеличивается по мере увеличения энергии возбуждения линий. Поэтому, как правило, более низкий предел обнаружения достигается для элементов группы 1А и наиболее высокий для галогенов и инертных газов.

Все условия проведения анализа стараются подобрать так, чтобы для большинства элементов предел обнаружения был как можно ниже.

1.2 Основные приемы отбора и подготовка пробы. Выбор источника света

Металлические образцы, достаточно устойчивые при нагревании в атмосфере, проще всего исследовать в виде электродов дуги или искры. Для анализа легкоплавких проб, повреждение которых не допустимо, например готовых изделий, приходится пользоваться маломощной искрой. Твердые материалы не проводящий электрический ток, следует предварительно разделить в мелкий порошок и вводить в источник из отверстия электрода или, при достаточно большом количестве пробы, вдувать в межэлектродный промежуток. Твердые вещества органического происхождения, а так же вещества, содержащие влагу и органические примеси, предварительно озоляют и прокаливают до удаления воды, но осторожно, чтобы не загрязнить пробу и не потерять легколетучие ее компоненты.

Небольшое количество анализируемой жидкости лучше всего предварительно испарить на торце нагретого угольного или металлического электрода, не содержащего анализируемых элементов, и использовать этот электрод как электрод дуги или искры. Располагая большим количеством раствора или жидкости, можно вдувать его в разряд или пламя в виде аэрозоля, подавать в дугу или искру через отверстие нижнего электрода, в так называемом фульгураторе, или вводить в разряд через пористое дно графитного стаканчика, используемого в качестве верхнего электрода. В последнем случае раствор под действием разряда постепенно диффундирует через пористое дно, и на обрабатываемой разрядом поверхности образуется тонкая пленка сухого остатка, который затем испаряется в зону возбуждения. Газовые смеси анализируют, вводя их в закрытые разрядные трубки, либо в потоке, когда газ с определенный скоростью пропускается через разрядную трубку. В практике качественно - эмиссионном анализа в качестве источников возбуждения спектров применяют электрические дуги постоянного и переменного тока, низко - и высоковольтную конденсированную искру, различные формы тлеющего газового разряда и др. За последние 10-15 лет широкое распространение получили различные виды высокочастотных разрядов: высокочастотная индуктивно-связанная плазма в атмосфере инертных газов при атмосферном давлении, сверхвысокочастотный (микроволновый) разряд и др.

В большинстве случаев испытуемый образец является одним из электродов дуги или искры, другим служит металлический или угольный стержень, обычно называемый постоянным электродом.

Выбор материала для постоянного электрода определяется условиями работы. Чаще всего постоянные электроды изготовляются из металла, составляющего основу сплава, например, при анализе сталей применяют железные электроды, при анализе медных сплавов - медные электроды и т. д.

Однако нередко отступают от этого условия. Так, например, при определении некоторых элементов в медных, алюминиевых и цинковых сплавах, спектры которых бедны линиями, трудно выбрать линии сравнения, тогда как применение железного электрода устраняет это затруднение. Перед зажиганием дуги с поверхности образца и с конца стандартного электрода необходимо удалить загрязнения и довести металл до блеска. Зачистку можно производить либо на наждачном круге, либо напильником.

При анализе твердых веществ наиболее часто применяют дуговые (постоянного и переменного тока) и искровые разряды, питаемые от специально сконструированных стабилизирующих генераторов (часто с электронным управлением). Созданы также универсальные генераторы, с помощью которых получают разряды разных типов с переменными параметрами, влияющими на эффективность процессов возбуждения исследуемых образцов. Твердая электропроводящая проба непосредственно может служить электродом дуги или искры. Не проводящие ток твердые пробы и порошки помещают в углубления угольных электродов той или иной конфигурации. В этом случае осуществляют как полное испарение (распыление) анализируемого вещества, так и фракционное испарение последнего и возбуждение компонентов пробы в соответствии с их физическими и химическими свойствами, что позволяет повысить чувствительность и точность анализа. Для усиления эффекта фракционирования испарения широко применяют добавки к анализируемому веществу реагентов, способствующих образованию в условиях высокотемпературной угольной дуги легколетучих соединений (фторидов, хлоридов, сульфидов и др.) определяемых элементов. Для анализа геологических проб в виде порошков широко применяют способ просыпки или вдувания проб в зону разряда угольной дуги. Для анализа газовых смесей необходимы:

- спец. вакуумные установки;

- спектры возбуждают с помощью ВЧ и СВЧ разрядов.

В связи с развитием газовой хроматографии эти методы применяют редко.

Качественный эмиссионный анализ не требует предварительных операций, с которыми обычно связан анализ химический. Для полного качественного эмиссионного анализа небольшую навеску вещества возбуждают дугой или искрой, одновременно фотографируя ее спектр. Каждый хим. элемент излучает характерный для него спектр - известный набор спектральных линий, длины волн которых сведены в таблицы и атласы. Чтобы установить наличие элемента в пробе, достаточно даже в очень сложном спектре обнаружить несколько его линий.

Качественный эмиссионный анализ дает возможность не только устанавливать наличие, но часто и определять приблизительное содержание элемента в пробе.

Выбор приборов для качественного эмиссионного анализа определяется областью спектра, где расположены самые чувствительные линии элемента, а также дисперсией и разрешающей способностью прибора. Для расшифровки спектрограмм применяют спектров проекторы.

1.3 Выбор аналитических линий

Качественные эмиссионные спектры элементов имеют большое количество линий, которые сведены в специальные таблицы спектральных линий, но при определении элемента в пробе нет необходимости определять наличие всех линий искомого элемента в спектре пробы. Для этого достаточно определить присутствие двух-трех линий в спектре пробы.

К этим линиям предъявляются особые требования:

1. Это должны быть самые чувствительные, так называемые, «последние» линии. Линии одного и того же элемента различаются концентрационной чувствительностью, т. е., появляются в спектре при разных концентрациях данного элемента. Наибольшей концентрационной чувствительностью обладают «последние» линии. Они появляются в спектре первыми при минимальной концентрации элемента в пробе, а при уменьшении концентрации - исчезают последними. Отсюда и название «последние линии». Это самые интенсивные линии в спектре излучения элемента. Длины волн «последних» линий сведены в специальные таблицы аналитических (т. е., используемых для анализа) линий, а в описаниях к атласам спектральных линий «последние» линии выделены жирным шрифтом;

2. Кроме высокой концентрационной чувствительности, линии, используемые для обнаружения присутствия элемента в пробе, должны быть свободны от наложения линиями других элементов с близкими длинами волн - «мешающими»;

3. Наряду с «последними» линиями при обнаружении присутствия элемента в пробе пользуются контрольными линиями. В отличие от «последних» контрольные линии менее чувствительны, менее интенсивны, но свободны от наложения близких по длинам волн линий «мешающих» элементов.

Таким образом, качественный спектральный анализ с помощью оптического эмиссионного спектра пробы сводится к поиску в этом спектре «последних» и контрольных линий искомого элемента.

Атласы спектров и таблицы для качественного анализа.

Атласы спектров являются совершенно необходимыми пособиями для проведения качественного анализа.

1.4 Ошибки качественно-эмиссионного анализа

Возможны следующие ошибки при выполнении качественного анализа: пропуск элемента, присутствующего в образце, и констатация наличия элемента, которого в образце нет.

Пропуск элемента возможен в случае неправильно подобранных условий атомизации, возбуждения и регистрации. Например, при дуговом возбуждении невозможно обнаружить присутствие трудновозбудимых элементов. На спектрографе со стеклянный оптикой нельзя обнаружить элементы, содержащиеся в образце в малой концентрации, если их наиболее интенсивные (чувствительные) линии лежат в ультрафиолетовой области спектра.

Наиболее опасны загрязнения неконтролируемые, связанные с небрежным обращением с пробой и электродами. Во избежание загрязнения пробы и электродов следует обрабатывать их чистыми инструментами, материал которых не содержит определяемых элементов. Надо избегать касания руками рабочих поверхностей электродов и проб. Воздух лаборатории, где производится качественный анализ, должен быть очищен от определяемых элементов, а стены и потолки должны иметь прочные, легко моющиеся покрытия. Для спектрального анализа в промышленных масштабах выпускаются специальные «спектрально чистые» угольные и графитовые электроды. Но в особо ответственных случаях и в них предварительно проверяют присутствие определяемых элементов.

Результат качественного анализа должен быть сформулирован с указанием предела обнаружения. Определить его можно по спектрограммам соответствующих эталонов если постепенно снижать в них содержание элемента до тех пор, пока его последние линии будут лишь едва заметны на фоне пластинки. При некоторой очень малой концентрации последние линии станут столь слабыми, что из за флуктуации фона и интенсивности линии при многократном повторении съемки спектр в одних и тех же условиях на одних спектрограммах эти линии появятся, на других - нет. В первом случае мы вправе утверждать, что элемент есть в пробе, во втором - нет. Содержание, при котором возникает такая неопределенность, и принимается за предел обнаружения.

Если при расшифровке спектрограммы образца последние линии определяемого элемента не обнаружены, это еще не значит, что элемент отсутствует в пробе. Возможно, что содержание его слишком мало и данным методом он обнаружен быть не может. Например: предел обнаружение кальция приданный методике его определения 0,01%.Последние линии кальция на спектрограмме не появились. Результат анализа следует выразить так - кальций не обнаружен, предел обнаружение 0,01%.

Если последние линии определяемого элемента появились на спектрограмме и доказано, что этот элемент не внесен в пробу в качестве загрязнений, результат качественного анализа однозначен. Мы констатируем присутствие элемента в пробе в концентрации, превышающей предел обнаружение.

Более того, обнаружив несколько линий элемента разной интенсивности, можно даже грубо определить, найден основной элемент пробы или примесь. Если обнаружены даже наиболее слабые линии элемента (по данным таблиц спектральных линии), а последние его линии имеют высокую интенсивность, элемент можно причислить к основным элементам пробы. Если же последние линии не очень интенсивны, а слабые линии вовсе не появились в спектрограмме, элемент причисляют к примесям.

2. Экспериментальная часть

2.1 Основные этапы исследовательской работы

Организация и планирование УИРС и НИРС в курсе аналитической химии базируется на общепринятых принципах организации самостоятельной учебной работы студентов с отражением специфически изучаемой дисциплины. Планирование включает ряд последовательных этапов, приведенных на схеме. Каждый из этапов рассматривают на основе определяющих его факторов.

Рисунок 1:

Формулировка задачи исследования включает:

- характеристики пробы анализируемого вещества (количество, агрегатное состояние, происхождение материала, технология получения, некоторые физические свойства, определяемые в лаборатории);

- определение конечной цели анализа (основное правило здесь - не определив цель, не начинай анализ);

- характеристику задачи анализа (определяемые вид анализа - качественный, количественный, время, а анализа, концентрация, допустимые погрешности анализа).

Выбор метода анализа зависит от поставленной задачи свойств исследуемого вещества. При этом необходимо изучить и знать свойства элементов и их соединений, входящих в состав анализируемого вещества. Метод оценивается:

- по избирательности и чувствительности в отношении определяемого компонента;

- по времени затрачиваемому на выполнение анализа;

- по воспроизведению и точности.

В учебной лаборатории каждый рассматриваемый метод подвергается оценке и сравнению, что позволяет выявить наиболее эффективный для анализа конкретного объекта.

2.2 Выбор метода, методики

2.2.1 Выбор и оценка метода анализа

При выборе метода и методики руководствуется следующими факторами.

Рисунок 2:

2.2.2 Выбор и оценка методики анализа

Рассмотрим далее.

Рисунок 3:

На основе оценки выбранной методики полезно повторно обсудить метод анализа и по возможности максимально упростить его схему.

Для организации проведения эксперимента следует заранее подготовить к анализу образца, необходимые оборудование, атласы и таблицы спектральных линий, график линейной дисперсии, образцы и необходимое оборудование. Также нужно ознакомиться с методикой этой работы. Данные эксперимента заносятся в отчет. А завершается работа составлением научно-технического отчета по ГОСТу.

2.3 Разработка методики

Методика выполнения исследования определяется аналитической задачей.

Природа анализируемого объекта.

Проба 1: сталь - сплав, твёрдый раствор железа с углеродом (и другими элементами), темно-серого цвета в виде цилиндрической чушки, технологического происхождения, токопроводящий, имеет металлического блеск.

Проба 2: ферромарганец - это сплав, основным компонентом которого является марганец и железо, имеет радужный цвет с золотистым краплением, обладает не ровной поверхностью, характерно высокая хрупкость, выпускается в виде куска технологического происхождение.

Характеристика задачи анализа:

Вид анализа: качественный анализ.

Время анализа: 50 мин.

Спектральный Диапазон определяемых элементов: 3900-7000А.

Выбор и оценка качественно-эмиссионного метода анализа.

Данной работе выбран качественный эмиссионный метод анализа, так как исследования связано с обнаружением элемента в пробе.

Аналитические свойства определяемого элемента:

Оборудование лаборатории: Стилоскоп СЛ-11.

Методика анализа:

Задача качественного анализа - определение элементов, входящих в состав проб. В частном случае эта задача сводится к определению одного или нескольких, заранее заданных элементов.

Для идентификации спектральных линий выбираются линии, характерные для данного элемента. Такими линиями обычно служат так называемые «последние линии». Это самые чувствительные спектральные линии. Они появляются в спектре при наименьшей концентрации элемента в пробе и при уменьшении концентрации исчезают из спектра последними. Устанавливая принадлежность спектральной линии тому или иному элементу, необходимо учитывать возможность наложения близко расположенных линий различных элементов. Идентификация может считаться надежной только в одном случае, если обнаружены несколько характерных для данного элемента линий, находящихся в разных участках спектра. Вероятность наложения спектральных линий уменьшается с увеличением линейной дисперсии прибора.

Аппаратура, материалы.

1. Стилоскоп СЛ-11;

2. Проба стали, ферромарганца;

3. График линейной дисперсии стилоскопа;

4. Атласы спектральных линии.

Ход работы:

1. По атласам или по таблицам спектральных линий выбираем интенсивные линии марганца и железа с различной концентрацией;

2. Установить отсчет по шкале барабана линии марганца и железа по графику линейной дисперсии;

3. Проверить заземление, наличие резинового коврика;

4. Зачистить подставной дисковый электрод и пробу стали;

5. Установить подставной электрод и пробу стали в штатив стилоскопа;

6. Наблюдать через окуляр стилоскопа линии марганца и железа в режиме дуга и искра. Сделать вывод о присутствии линии в пробе.

2.4 Обработка результатов

Таблица 1:

3. Расчеты, графики

Уточненный график линейной дисперсии СЛ-11

Таблица 2:

Выводы

В данной работе исследовалось влияние выбора аналитических линий на результаты анализа. В ходе эксперимента, исследуя чувствительные линии марганца и железа, было установлено, что при работе аналитических линии важны следующие условия: эмиссионный газовый химический

1. Для анализа лучше выбрать линии, с индексом интенсивности 7, 8, 9 которые появляются при наименьшей концентрации элемента;

2. При работе с дугой и искрой используем аналитические линии нейтральных или однократно ионизированных атомов (I, II);

3. Аналитическая линия должна быть не размытыми;

4. Аналитическая линия должна быть свободно от наложении и лежать на слабом фоне;

5. Аналитические линий не должны испытывать самопоглощение.

Список использованной литературы

1. В.И. Посыпайка «Химические методы анализа», 1989 г.

2. А.Н. Зайдель «Основы спектрального анализа», М.: Наука 1976.

3. А.Н. Зайдель «Таблицы спектральных анализов», М.: 1969.

4. И.М. Кустанович «Спектральный анализ» М.: 1967.

5. В.И. Барсуков «Атомный спектральный анализ», М.: 2005.

6. Сhemport.ru «Спектральный анализ», Зайдель А.Н. «Основы спектрального анализа», М.: 1965.

Размещено на Allbest.ru