Эмиссионная фотометрия пламени

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ -

УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

Реферат

по дисциплине

«Аналитическая химия и физико-химические методы анализа»

на тему «Эмиссионная фотометрия пламени»

Выполнила:

студентка группы 11-ТП

Кохтенко Е. П.

Преподаватель:

к. х. н., доцент

Комова В.И.

Орел 2013

Содержание

Введение

1. Эмиссионный пламенно-фотометрический анализ

2. Помехи

3. Погрешности

4. Схема пламенного фотометра

5. Типы пламенных фотометров и их характеристика

Заключение

Список литературы

Введение

Йозеф Фраунгофер (1787-1826) -- немецкий физик и знаменитый оптик -- занимался исследованиями дисперсии (явление зависимости скорости света в веществе от частоты или длины волны). Чтобы произвести точные измерения дисперсии света в призмах, Фраунгофер в качестве источника света использовал свечу или лампу. При этом он обнаружил в спектре яркую желтую линию, известную теперь как желтая линия натрия. Вскоре установили, что эта линия всегда находится в одном и том же месте спектра, и Фраунгофер предположил, что этими самыми линиями обладают и другие элементы. Все так и оказалось на самом деле -- каждый элемент химической таблицы Д.И.Менделеева может создавать спектральные полосы, свойственные только этому элементу. В дальнейшем, была составлена целая таблица спектров. Все это послужило развитию нового метода химических исследований, который в настоящее время называется «спектральный анализ». эмиссионный фотометр пламенный анализатор

На современном уровне исследований спектральный анализ -- это целая совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения и др.

В зависимости от целей анализа и типов спектров выделяют несколько методов спектрального анализа. Атомный и молекулярный спектральные анализы позволяют определять элементарный и молекулярный состав вещества, соответственно. В эмиссионном и абсорбционном методах состав определяется по спектрам испускания и поглощения. Все эти методы занимают важнейшее место в арсенале современной аналитической химии, так как Они имеют низкие пределы обнаружения и позволяют определять следовые количества примесей в полупроводниках, материалах для ядерной энергетики и оптоэлектроники.

Далее мы поведем речь об эмиссионном спектральном анализе, который широко используется для:

определения состава материала, так как спектр излучения различен для каждого элемента периодической таблицы Менделеева. Например, идентификация состава звёзд по свету от них.

определения химического вещества, совместно с другими методами.

при изучении астрономических объектов (звёзды, галактики, квазары, туманности):

определения движения объектов и их частей

получения информации о происходящих в них физических процессах

получения информации о структуре объекта и расположении его частей.

1. Эмиссионный пламенно-фотометрический анализ

Эмиссионный пламенно-фотометрический анализ основан на измерении интенсивности излучения атомов, возбужденных в пламени, электрической дуге, искре.

Анализируемый раствор вводят в пламя горелки; при этом первоначально атомы анализируемого вещества, поглощая энергию пламени, возбуждаются, т.е. некоторые электроны их переходят на более удаленные от ядра орбитали. Но затем, в результате обратного перехода электронов, энергия выделяется в виде излучения определенной длины волны. Получающиеся при этом спектры называют спектрами испускания или эмиссионными спектрами, откуда и название метода -- эмиссионная фотометрия пламени.

Эмиссионные спектры в пламени довольно просты и состоят из нескольких спектральных линий, отличающихся характерной для каждого элемента длиной волны. Это позволяет по резонансному излучению различать анализируемые металлы, использовать эти спектры не только для качественного, но и для количественного анализа. Последний основан на том, что в определенном интервале концентрации анализируемого вещества интенсивность излучения атомов пропорциональна содержанию их в растворе, введенном в пламя. Характерную для элемента спектральную линию выделяют с помощью светофильтра, направляют на фотоэлемент, измеряют силу возникшего в нем тока гальванометром и определяют интенсивность излучения. Содержание определяемого элемента находят по градировочному графику, полученному для серии стандартных растворов.

Эмиссионный пламенно-фотометрический анализ широко применяют при агрохимических и почвенных исследованиях, в химической промышленности, биологии, медицине. В агрохимической службе метод используют главным образом для определения содержания щелочных (калия, натрия), а также щелочно-земельных металлов (магния, кальция, стронция, бария), реже некоторых других (марганца, меди).

Метод эмиссионной пламенной фотометрии достаточно чувствителен. Для щелочных металлов чувствительность достигает 0,1--0,01 мкг 372 мл раствора, а для других ~ 0,1--5 мкг/мл. Точность определений уставляет 2--4%.

Пламенно-фотометрические определения сопровождаются иногда помехами, связанными с наложением спектра сопутствующего элемента излучение определяемого металла или же влиянием посторонних примесей на интенсивность излучения. Однако эти помехи устраняют путем подбора наиболее подходящих стандартных растворов, а также добавлением специальных реактивов.

2. Помехи

Как и в других физических методах анализа, в ЭФП наблюдается воздействие различных факторов на величину аналитического сигнала, способное повлиять на правильность полученных результатов. Помехи, приводящие к искажению аналитического сигнала, можно разделить на 3 типа: инструментальные (аппаратные), физико-химические и спектральные.

Инструментальные помехи

Инструментальные помехи связаны с неправильной работой отдельных узлов используемого прибора. Например, нестабильная работа компрессора, подающего сжатый воздух в горелку пламенного фотометра, вызывает изменение скорости распыления раствора, а также влияет на температуру пламени. Нелинейная зависимость выходного тока прибора от интенсивности светового потока может быть связана с неисправностью приемника излучения и электронного усилителя.

Физико-химические помехи

Физико-химические помехи обусловлены влиянием химического состава исследуемого раствора на диспергирование и процессы, протекающие в пламени. Важной характеристикой качества образующегося аэрозоля является средний диаметр капель.

Если анализируемый раствор содержит соединения, заметно изменяющие одно из этих свойств (высокие концентрации кислот и солей, поверхностно-активные вещества, органические растворители), неизбежно возникнут различия в показаниях прибора при фотометрировании исследуемого и эталонного водного раствора с точно такой же концентрацией определяемого элемента. Например, в растворах, содержащих сахарозу и глицерин, аналитический сигнал понижается из-за повышения вязкости.

3. Погрешности

Свести к минимуму погрешности, возникающие на стадии диспергирования, можно следующими способами.

Во-первых, путем фотометрирования по возможности разбавленных водных растворов, в которых содержание матричных компонентов не превышает 1 г/л. Однако этот прием нельзя применять в тех случаях, когда содержание определяемого металла в объекте невелико.

Во-вторых, использованием эталонных растворов, содержащих такие же концентрации матричных компонентов, что и исследуемые. Однако этот способ неприменим, если макрокомпонентный состав объекта неизвестен. Наиболее надежным способом является третий - применение метода добавок, поскольку в этом случае все исследуемые растворы идентичны по химическому составу и различаются только содержанием определяемого элемента.

4. Схема пламенного фотометра

Наибольшее распространение получили пламенные фотометры, в которых используются горелки предварительного смешения с пневматическим распылителем. Вогнутое зеркало служит для увеличения светового потока, направляемого к приемнику излучения. Диафрагма, расположенная после горелки, позволяет выделять излучение от определенных участков пламени. Выделение аналитической спектральной линии осуществляется интерференционными светофильтрами, закрепленными на специальном барабане. Вращением барабана на пути светового потока устанавливается нужный светофильтр.

Приемником излучения в пламенных фотометрах, как правило, служит вакуумный фотоэлемент, но в ряде моделей, выпускаемых в последнее время, для этой цели используются полупроводниковые фотодиоды. Фототок усиливается электронным блоком и измеряется миллиамперметром. Стрелку показывающего прибора устанавливают на нулевое значение переменным резистором «Установка нуля» при фотометрировании раствора, не содержащего определяемый элемент. Ирисовая диафрагма служит для установления Їразмаха шкалы прибора. Например, при построении градуировочной зависимости по эталонному раствору с максимальной концентрацией изменением отверстия диафрагмы стрелку отсчетного устройства устанавливают на край шкалы. Переключатель «Ослабление» ступенчато изменяет коэффициент усиления электронного блока, т.е. повышает или понижает чувствительность прибора.

По такой Їклассической схеме изготовлено большинство пламенных фотометров, в том числе ПФМ У4.2. Источником возбуждения спектра служит пламя (пропан бутан - воздух или ацетилен - воздух). Прибор рассчитан на определение следующих элементов: натрия (Na), кальция (Са), калия (К), стронция (Sr), лития (Li), рубидия (Rb), цезия (Cs), бария (Ва), бора (В), хрома (Сг), марганца (Мn) и магния (Mg).

Пламенный фотометр может использоваться в медицине, пищевой промышленности, силикатной промышленности, сельском хозяйстве, металлургической, химической и других отраслях народного хозяйства, в научно-исследовательских институтах и лабораториях, где нужно производить анализ растворов, содержащих вышеуказанные элементы. Для выделения из пламени различных участков спектра в приборе использованы интерференционные светофильтры.

5. Типы пламенных фотометров и их характеристика

В лабораторной практике используют как пламенные фотометры со светофильтрами, так и спектрофотометры для пламенной фотометрии.

Пламенные фотометры со светофильтрами служат главным образом для определения в растворах калия, натрия, кальция и иногда лития, т.е. для анализа объектов простого состава. Работают они обычно на низкотемпературном пламени смесей горючих газов с воздухом; распылители их снабжены специальными камерами для удержания крупных капелек аэрозоля, не испаряющихся в пламени. 6 нашей стране выпускаются пламенные фотометры марок ФПФ-58, ФПЛ-1 и ПФМ.

Спектрофотометры для пламенной фотометрии более чувствительны и обеспечивают высокую монохроматизацию излучения. Они снабжены специальными горелками для сжигания смесей горючих газов с кислородом, причем газы смешиваются у выхода из сопла, анализируемый раствор впрыскивается непосредственно в пламя. Примером спектрофотометра для пламенной фотометрии может служить прибор ПАЖ-1. -

Пламенный фотометр Цейса (ГДР) работает на горючих газах (ацетилене, светильном газе, пропан-бутане, парах бензина) в смеси с воздухом, но не с кислородом. К используемым при этом газовым баллонам присоединяют редукторы для понижения давления газа и поддержания его постоянным перед введением в фотометр (присоединяет редукторы к баллонам специалист по автогенной сварке). Этот прибор может также работать на природном газе от сети, что дает ему определенные преимущества. Горелка снабжена насадками (сетками, предотвращающими проскок пламени) для сжигания различных газов. Фотометр Цейса снабжен комплектом из пяти светофильтров со следующими максимумами светопропускания (нм): для определения калия 769,9. лития 678,8, кальция 622, натрия 589,9, магния 384. Обычно определения выполняют с помощью градуировочного графика.

Пламенный фотометр "ФЛАФО-4" (ГДР) предназначен для определения калия, натрия и кальция в растворах; работает на пламени смеси пропана с воздухом. Это двухканальный фотометр, что позволяет определять одновременно два элемента в одной пробе. Чувствительность определений на нем составляет 1 • 10³ мкг калия или натрия в 1 мл.

Пламенный фотометр "ФЛАФО-4" имеет светофильтры, пропускающие только излучения аналитических линий, характерных для определяемого элемента. Изображение пламени при помощи линз проецируется на приемник излучения, которым служит селеновый фотоэлемент. Содержание элементов в растворе определяют по градуировочному графику.

Фотометр пламенный лабораторный ФПЛ-1 -- фильтровый фотометр для количественного определения калия, натрия и кальция в растворах; источником возбуждения спектров служит пламя горючей смеси пропан -- бутан -- воздух. Для выделения спектральных линий определяемых элементов используют интерференционные светофильтры с максимумами светопоглощения (нм): Для калия 785, кальция 622 и натрия 589. Мешающие излучения поглощаются адсорбционными светофильтрами. Продолжительность одного измерения около 30 с. В пламенном фотометре ФПЛ-1 фотоприемником является фотоэлемент Ф-9, а выходной сигнал фиксируется стрелочным амперметром М-266-М. Нижние пределы определения для калия и натрия 0,5 мкг/мл (или 5*10*5%), а Для кальция 5 мкг/мл (5*10`4%). Определения выполняют по градуировочным графикам.

Анализатор жидкости пламенно-фотометрический ПАЖ-1 (пламенный анализатор жидкости) выпускается Киевским заводом аналитических приборов. Это современный, весьма совершенный (но слишком сложный в учебной работе) прибор, предназначенный для определения микроколичеств лития, натрия, калия и кальция в растворах методом спектрофотометрии пламени.

Пламенный спектрофотометр ПАЖ-1 применяют на атомных и тепловых электростанциях при анализе вод и топлив. Он работает на горючих смесях пропан -- бутан -- воздух или природный газ -- воздух.

Этот прибор состоит из пламенно-спектрофотометрического анализатора, специального мембранного компрессора, регулятора давления газа, газобаллонного редуктора, баллона с пропан-бутаном и стабилизатора напряжения; имеет сложную оптическую систему.

Содержание металлов в растворах находят по градуировочному графику, полученному с помощью стандартных растворов.

Пламенный фотометр ПФА-378 предназначен для определения концентрации в растворах ионов щелочных и щелочно-земельных металлов Na, K, Li, Са в растворах путем измерения интенсивности их эмиссионных линий при распылении анализируемого раствора в пламени газовой горелки. Дополнительно -- Sr, Cz, Rb, Ва.

Все элементы определяются в пробе одновременно, а их концентрации рассчитывается автоматически с использованием сохраняемых в памяти анализатора градуировок.

Отличительной особенностью анализатора является возможность контроля в процессе работы температуры газового пламени. Поддержание постоянной температуры пламени позволяет не выполнять градуировку прибора после каждого его включения. При использовании нескольких методик измерений, обеспечивается возможность сохранения в памяти анализатора до 5 градуировок на каждый определяемый элемент.

Анализатор имеет внутр. память на 512 результатов измерений и возможность авт. запуска измерения и сохранения результата. Это обеспечивает высокую производительность и определение концентрации не менее 5 образцов в минуту. Накопленные в памяти анализатора результаты измерений могут просматриваться на его внутреннем индикаторе, выводится в файлы на ЭВМ по интерфейсам RS-232 или USВ, записываться на флэш-память, печататься на принтере.

Область применения.

Анализатор применяется в медицине, энергетике, сельском хозяйстве, на предприятиях водоснабжения, в химической, стекольной, металлургической и других отраслях промышленности.

По условиям эксплуатации в части воздействия климатических факторов внешней среды анализатор относится к исполнению УХЛ категории 4.2 по ГОСТ 15150-69.

Принцип работы.

В основу работы пламенного фотометра положен метод фотометрии эмиссии химических элементов в пламени. Раствор, содержащий исследуемый элемент, в виде аэрозоля вводится в пламя газовой горелки. Эмиссионное излучение элементов разлагается в спектр оптической системой с использованием дифракционной решетки. Спектральное излучение регистрируется приемником на фотодиодной линейке. Микропроцессорная система фотометра измеряет интенсивность эмиссионных линий элементов и отображает результаты измерений на индикаторе в единицах концентрации исследуемого раствора.

В качестве горючего газа в пламенном фотометре используется смесь пропан-бутан.

Доп. возможности анализатора ПФА-378, которые обеспечиваются по требованию заказчика с доп. Оплатой

Анализ большего числа элементов. Дополнительно: Стронций, Цезий, Рубидий, Барий.

Повышение чувствительности определения элементов до 50 раз.

Возможность использования специальных методик измерений:

«Внутреннего стандарта». Обеспечивает высокую точность (не хуже 1,5% суммарной отн. погрешности) и устранение «грубых» ошибок (которые возможны из-за неконтролируемых изменений параметров, - например, засорение распылителя). Для реализации методики в раствор необходимо добавлять доп. элемент. Обеспечивается возможность определения одновременно 2 и более элементов. Например: одновременное определение Nа и К в медицине.

«Ограждающих стандартных растворов». Последовательное измерение образца и двух стандартных растворов - с большей и меньшей концентрациями. При 5 последовательных измерениях обеспечивается точность не хуже 1% суммарной отн. погрешности. Высокая производительность (не менее чем в 10 раз по сравнению с др. пламенными фотометрами) обеспечивается авт. запуском и расчетом результата измерений.

«Методики пользователя» - одновременное определение нескольких элементов и автоматический расчет результата измерений (например, для устранения матрицы влияния элементов, реализация метода «добавок» и др. )

Подключение к внешней ПЭВМ для хранения и обработки результатов измерений и градуировок: 4.1 Непосредственное подключение кабелем к порту RS232 или USВ ПЭВМ. 4.2 Через флэш-память.

Расширенный диапазон определения концентрации -- от 0,01 мкг/л до 1 г/л (т.е увеличение диапазона регистрации от 200 до 100 тыс. раз).

Уменьшение расхода пробы на 1 измерение до 5 раз (до 0,5 мл на одно измерение).

Заключение

Итак, благодаря немецкому физику и знаменитому оптику Йозефу Фраунгоферу была составлена целая таблица спектров. Это и многое другое послужило развитию нового метода химических исследований, который в настоящее время называется «спектральный анализ». Спектральный анализ является совокупностью многих химических методов анализа, одним из которых является пламенная фотометрия.

В заключение хотелось бы перечислить плюсы и минусы этого метода. К преимуществам можно отнести возможность проводить, как и качественный так и количественный анализы. Качественным анализом эмиссионной фотометрии пламени определяют более 80 элементов с пределом обнаружения от 10-2% (Hg, Os и др.) до 10-5% (Na, B, Bi и др.). Низкий предел обнаружения может привести к переоткрытию элементов, попавших в пробу в результате случайных загрязнений. Количественный основан на концентрации анализируемого вещества, введенном в пламя. Методами пламенной фотометрии можно исследовать твёрдые и жидкие пробы.

Сейчас в современных условиях ученым удалось уменьшить погрешность и помехи пламенных спектрометров, что делает этот метод еще более эффективным и автоматизированным. На современных моделях спектрофотометров результаты получают быстрее, чем на старых моделях.

Помимо эффективности этого метода, можно заметить его красоту, ведь работать с разноцветными спектрами очень интересно и занимательно, нежели решать скучные уравнения и выводить формулы.

Список литературы

1. Васильев В.П. Аналитическая химия. Кн.2: Физико-химические методы анализа. - М.: Дрофа, 2004. - 383 с

2. Полуэктов Н.С. Методы анализа по фотометрии пламени. - М.: Наука, 1967.

3. Кузяков Ю.Я. и др. Методы спектрального анализа. - М., 1990.

4. Цитович И.К. Курс аналитической химии: Учебник.10-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2009. -т 496с.:ил. - (Учебники для вузов, Специальная литература)

Размещено на Allbest.ru