Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева» (РХТУ им. Д.И. Менделеева)

Институт материалов современной энергетики и нанотехнологии - Институт физической химии (ИМСЭН - ИФХ)

Кафедра химии высоких энергий и радиоэкологии

Отчёт по практике: получение профессиональных умений и навыков

Студент:

Парашутин Егор

Преподаватели:

старший преподаватель: Фенин А.А.

старший научный сотрудник: Меркушкин А.О.

Москва 2022



Содержание

• Введение
• 1.Техника безопасности
• 1.1 Общие правила работы в лаборатории
• 1.2 Меры предосторожности
• 2. СЭМ-ЭДС элементный анализ
• 2.1 Устройство EDX
• 2.2 Область применения
• 3. Рентгенофазовый анализ
• 3.1 Устройство и принцип работы
• 3.2 Сущность метода рентгенофазового анализа
• 3.3 Области применения рентгеновского порошкового дифрактометра
• 4. Растровая электронная микроскопия
• 4.1 Устройство и принцип работы
• 4.2 Требования к образцам
• 4.3 Применение растрового электронного микроскопа
• 5. Лазерная гранулометрия
• 5.1 Принцип работы
• 5.2 Преимущества лазерной дифракции
• 6. Газовая хроматография
• 6.1 Основные элементы газового хроматографа и их назначение
• 6.2 Порядок исследования
• 6.3 Колонки газового хроматографа
• 6.4 Сферы применения
• 7. Масс-спектроскопия
• 7.1 Принцип работы
• 7.2 Области применения масс-спектрометрии
• 8. УФ спектроскопия
• 8.1 Принцип работы
• 8.2 Область применения УФ-спектроскопии
• 9. ИК-спектроскопия
• 9.1 Устройство и принцип работы
• 9.2 Область применения
• Заключение
• Список использованных источников


Введение

Одной из изучаемых в курсе дисциплин является практика по получению первичных профессиональных умений и навыков, основной целью которой является, как следует из названия, получение студентами практических навыков. Наличие таковых является неотъемлемой часть квалификации специалиста, так сугубо теоретических значит, бывает, как правило, недостаточно для осуществления соответствующей научной работы. рентгеновский порошковый дифрактометр гранулометрия

Практическая деятельность проходила на территории Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева (РХТУ им. Д.И. Менделеева).

Основной задачей данной учебной практики является изучение наиболее важных методов анализа веществ и материалов, в частности - освоение методик работы на предназначенной для этого аппаратуре, чего не даёт курс ФХМА, имеющий сугубо теоретический характер.

В результате прохождения практики должна сформироваться теоретическая и практическая база для будущей профессиональной деятельности. Студенты должны усвоить правила техники безопасности, уметь пользоваться современным оборудованием, а также улучшить свой навык написания работ (таких, как рефераты) путём написания отчёта по практике.



1. Техника безопасности

В связи с тем, что практические занятия проводятся в научных лабораториях кафедры ХВЭР, в ходе занятий следует соблюдать правила техники безопасности, которые должен знать каждый студент. Несмотря на то, что в ходе практики используется лишь оборудование для физико-химического анализа, и отсутствует так называемая «мокрая химия», ровно как и опасные вещества (ядовитые, взрывчатые и высокорадиоактивные препараты), в отчете приведена техника безопасности, общая для всех химических лабораторий, соблюдение которой гарантирует отсутствие угрозы жизни и здоровью сотрудников и студентов.

1.1 Общие правила работы в лаборатории

1. В лаборатории обязательно нужно работать в халате. Запрещается приносить с собой верхнюю одежду, принимать пищу, курить, использовать оборудование, не относящиеся к данной работе.

2. Рабочее место следует держать в чистоте. В случае пролитых или рассыпанных реактивов, нужно сразу же убрать и нейтрализовать.

3. Реактивы, предназначенные для общего пользования, нельзя уносит на своё рабочее место. Во избежание путаницы с пипетками и ёмкостями, их следует сразу же вернуть на место. Навески твёрдых реактивов берут шпателем.

4. Если реактив взят в избытке, категорически запрещается выливать его обратно в ёмкость с исходным реактивом.

5. По завершению работы необходимо убрать рабочее место, выключить приборы, закрыть воду и газ. Перед уходом из лаборатории следует убедиться, что газовый кран на рабочем месте закрыт.

8. Запрещается проводить опыты, не относящиеся к выполняемой работе, без ведома преподавателя.

2. СЭМ-ЭДС элементный анализ

Метод энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии с помощью электронного сканирующего микроскопа (СЭМ-ЭДС, далее, для удобства EDX) - это метод элементного анализа образца, основанный на анализе энергии эмиссии его рентгеновского спектра.

Элементы под действием электронов или рентгеновского излучения с достаточной энергией возбуждаются, вследствие чего испускают характеристическое рентгеновское излучение. Зафиксировав это излучение и получив соответствующий спектр, можно сделать вывод о качественном и количественном элементном составе исследуемого образца. Одно из главных преимуществ метода является то, что спектр возникает за счет переходов электронов на внутренних оболочках атома, благодаря чему физическое состояние образца либо химическая природа соединения с данным атомом на спектр почти не влияют. В целом, для EDX можно облучать образец как рентгеновским излучением, так и пучком электронов. В сканирующем электронном микроскопе, как будет рассмотрено далее, в том числе в главе 4 настоящего отчета, используется поток электронов, которые постоянно создают характеристическое излучение - как следствие, можно просто подключить EDX-детектор к растровому электронному микроскопу и выполнять СЭМ-ЭДС на нём.



Рис. 1. Набор оборудования для СЭМ-ЭДС

Природа появления характеристического излучения такова: когда электрон с достаточной энергией сталкивается с атомом, он может выбить электрон атома со внутренней орбиты; после этого электрон с внешней оболочки атома переходит на образовавшееся вакантное место, испуская при этом рентгеновское излучение (которое и называется характеристическим). Для каждого элемента это излучение, как несложно догадаться из названия, является уникальным, благодаря чему EDX можно использовать для идентификации элементов, а анализируя интенсивность спектра - и для количественного анализа. Стоит учесть полезный для нашей кафедры факт - при переходе атома с вакансией из возбужденного состояния в обычное может испускаться не излучение, а электрон Оже, однако, чем элемент тяжелее, тем меньше вероятность подобного исхода, в связи с чем EDX лучше подходит для анализа тяжелых элементов.

Очевидно, что водород и гелий не имеют характеристического излучения вообще, а легкие элементы (в целом, до неона) имеют низкую энергию излучения, так же могут его создавать и с помощью валентных электронов - поэтому при использовании данного метода с такими элементами необходимы сверхточные детекторы излучения и калибровочные образцы. Пример спектра, получаемого с помощью EDX, приведен на рисунке ниже.

Рис. 2. Пример спектра, полученного с помощью EDS.

При попадании электронов в образец, они частично рассеиваются и теряют энергию по мере углубления в образец, вследствие чего есть лишь некоторая определённая, каплевидная по форме, область взаимодействия электронов и объекта исследования (ее называют «объем возбуждения»).

Очевидно, что характеристическое излучение появляется лишь в той области, подверженной воздействию с электронами, где последние обладают достаточной для возбуждения энергией, и что плотность материала влияет на глубину проникновения - для, например, иридия EDX-спектр чувствителен лишь в поверхностном слое образца.

2.1 Устройство EDX

Четыре основных компонента установки EDS:

1) источник возбуждения (электронный луч или рентгеновский луч)

2) детектор рентгеновского излучения

3) импульсный процессор

4) анализатор.

Рис. 3. Принципиальная схема EDX

Изначально поток электронов, ускоренный с помощью линейного ускорителя, выпускается из электронного зонда (при этом, в целях избежания взаимодействия электронов с воздухом, в камере микроскопа поддерживается глубокий вакуум - порядка 10 мПа), после чего взаимодействует с образцом. В результате взаимодействия, как было описано ранее, возникает характеристическое излучение, которое регистрируется детектором. Детектор, будучи полупроводниковым, требует охлаждения (обычно для этого используют жидкий азот), и сделан из легированного литием кремния. Когда через полоску такого материала проходит поток рентгеновского излучения, возникают токи ионизации, которые можно детектировать. С помощью малошумящего усилителя токи направляются в линейный усилитель откуда, после чего с помощью ЭВМ (импульсный процессор и анализатор вместе) получается спектр с соответствующей информацией.

2.2 Область применения

Очевидно, что основное направление исследований с помощью EDX - это качественное и количественное определение элементного состава образцов. При этом, теоретически, точно зная состав образца, можно, методом от обратного, исследовать природу характеристического излучения, возникающего при воздействии на образец потока электронов (в общем случае, и рентгеновского излучения).

К преимуществам метода относятся:

1. По сравнению со спектрами в видимой и ультрафиолетовой областях, у рентгеновских спектров малое количество линий для каждого элемента и закономерное изменение длин волн по мере роста атомного номера.

2. Линии спектра возникают в результате удаления и последующего замещения электронов внутренних оболочек атома, а на эти высокоэнергетические уровни физическое состояние или химическая комбинация элементов влияют мало.

3. Высокая точность метода.

К недостаткам же метода можно отнести:

1. Невозможность анализа водорода и гелия.

2. Сложность анализа лёгких элементов (до гелия)

3. Дороговизну оборудования, необходимого для проведения анализа.



3. Рентгенофазовый анализ

Фазовый, рентгенофазовый качественный и/или количественный анализ-идентификация различных кристаллических фаз и определение их относительных концентраций в смесях на основе анализа дифрактограммы, взятой из исследуемых образцов порошка.

Качественный фазовый анализ проводится путем сравнения экспериментальных значений межплоскостных расстояний и относительных интенсивностей с эталонными рентгеновскими дифракционными картинами, поскольку каждое вещество имеет свою "картину" расположения линий на рентгеновской дифракционной картине. Качественный фазовый анализ позволяет выявить и выделить отдельные фазы гетерогенной системы. Объектами исследования при фазовом анализе являются металлы, сплавы, химические соединения, минералы, руды. С помощью рентгенофазового анализа можно определить состав неметаллических включений в металлах (оксиды, сульфиды, нитриды, карбиды), распределение легирующих элементов в многофазных сплавах. Широкое применение рентгенофазового анализа объясняется разработанной теорией, простотой пробоподготовки, относительной выразительностью получения качественных результатов, сохранением образцов без изменений после исследования и возможностью использования поликристаллического материала, возможность измерения массы, возможность выделения полиморфных модификаций, возможность получения данных о структурных характеристиках отдельных фаз и их количестве из экспериментальной дифрактограммы.

Количественный фазовый анализ является вторым этапом, когда известен качественный фазовый состав. Количественный рентгенофазовый анализ основан на зависимости интенсивности дифракционного отражения от содержания фазы в исследуемом многофазном поликристаллическом образце. Однако даже при одинаковом содержании определенной фазы интенсивность дифракционного отражения будет варьироваться в зависимости от значения среднего коэффициента поглощения рентгеновского излучения в образце. Поэтому необходимо либо найти эту зависимость и определить коэффициент поглощения образца, либо использовать методы, исключающие влияние коэффициента поглощения.

Рентгеновская порошковая дифракция -- это метод изучения структурных характеристик материала методом рентгеновской дифракции (рентгеноструктурного анализа) на порошке или поликристаллическом образце исследуемого материала. Результатом исследования является получение зависимости интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния. Устройство, предназначенное для данного метода, называется порошковым дифрактометром. Преимущество метода заключается в том, что дифрактограмма для каждого вещества уникальна и позволяет определить вещество, даже если его структура неизвестна.

3.1 Устройство и принцип работы

Рентгеновский дифрактометр состоит из источника рентгеновского излучения, рентгеновского гониометра, в который помещается исследуемый образец, детектора излучения и электронного измерительного и регистрирующего устройства. Детектор излучения представляет собой квантовый счетчик (ионизационная камера, пропорциональные счетчики и сцинтилляционные счетчики). Каждый дифракционный луч последовательно отображается на счетчике, что достигается перемещением счетчика вокруг образца во время измерения. Рентгеновский дифрактометр измеряет интенсивность рентгеновского пучка, дифрагированного в заданном направлении, и углы дифракции 2и.

Монохроматический рентгеновский луч направляется на порошковый образец исследуемого материала. На фотопленке, свернутой в цилиндр вокруг образца, изображение (дебаеграмма) получается в виде колец. Расстояние между линиями одного и того же кольца на дебаеграмме позволяет найти брэгговские углы отражения. Затем, используя формулу

Брэгга-Вульфа, можно получить отношение расстояния между отражающими плоскостями к порядку отражения.

Рис. 5.1 Порошковый дифрактометр

3.2 Сущность метода рентгенофазового анализа

В основе рентгенофазового анализа (РФА) лежат следующие принципы:

· порошковая дифракционная картина является индивидуальной характеристикой кристаллического вещества;

· каждая кристаллическая фаза дает всегда одинаковый дифракционный спектр, характеризующийся набором межплоскостных расстояний d и соответствующих интенсивностей линий I, присущим только данной кристаллической фазе;

· рентгендифракционный спектр от смеси индивидуальных фаз является суперпозицией их дифракционных спектров;

· по дифракционному спектру смеси возможна количественная оценка соотношения кристаллических фаз, присутствующих в изучаемом образце.

3.3 Области применения рентгеновского порошкового дифрактометра

· Наука и образование - кристаллохимия, кристаллофизика, материаловедение;

· Цементная промышленность;

· Судебно-криминалистическая экспертиза;

· Фармацевтическая и косметическая индустрия;

· Геология и добыча полезных ископаемых;

· Химическая промышленность;

· Археология, геммология, пищевая промышленность и др.



4. Растровая электронная микроскопия

Растровый электронный микроскоп (РЭМ) - прибор класса электронных микроскопов, предназначенный для получения изображений поверхности объекта с высоким (до 0,4 нанометра) пространственным разрешением, а также информации о составе, структуре и некоторых других характеристиках. другие свойства приповерхностных слоев. В основе метода лежит принцип взаимодействия электронного пучка с исследуемым объектом.

Благодаря более короткой длине волны электронов, чем свет, сканирующий электронный микроскоп позволяет изучать образцы с разрешением, в десять тысяч раз превышающим разрешение самого современного светооптического микроскопа, поэтому с помощью РЭМ можно изучать объекты нанометровых размеров.

Рис. 4.1 Растровый электронный микроскоп JSM-7800F PRIME



4.1 Устройство и принцип работы

Конструктивно РЭМ состоит из следующих основных частей: вакуумной системы, электронно-оптической колонки, источника электронов, блока электромагнитных линз, устройства формирования изображения, а также устройств ввода, извлечения и перемещения образца под электронным пучком. Изображение объекта формируется последовательно точками и является результатом взаимодействия электронного пучка с поверхностью образца. Каждая точка образца последовательно облучается сфокусированным электронным пучком, который перемещается по исследуемой поверхности, подобно сканированию электронного пучка в телевизионных системах. Когда электроны зонда взаимодействуют с веществом, возникают ответные сигналы различной физической природы (отраженные и вторичные электроны, рентгеновские лучи, свет, поглощенный ток и т.д.), которые используются для синхронного построения изображения на экране монитора. На рис. 2.2 показана схема формирования вторичных сигналов под воздействием электронного зонда. Для формирования изображения не используется электронно-оптическая система. Изменение масштаба изображения осуществляется с помощью радиотехнических средств.

Рис. 4.2 Схема образования вторичных сигналов при взаимодействии электронов зонда с веществом мишени.

Растровый электронный микроскоп -- это вакуумное устройство, потому что при нормальном атмосферном давлении электронный луч сильно рассеивается и поглощается, что делает невозможным его фокусировку. Поэтому рабочий вакуум в камере микроскопа должен составлять порядка 5-10 мм.рт.ст. Схема основных компонентов сканирующего микроскопа показана на рис. 4.3.

Электронный луч от источника электронов формируется специальной системой конденсаторов в виде хорошо сфокусированного зонда и проходит через систему управляющих электродов или электромагнитов, которые перемещают луч вдоль поверхности образца по траектории, образующей растр.

Рис.4.3 Упрощённая схема, иллюстрирующая работу РЭМ

Перемещение зонда по поверхности образца должно осуществляться с высокой точностью, а размер зонда будет определять разрешающую способность устройства. В результате взаимодействия электронного пучка с поверхностью образца возникает отклик, который регистрируется соответствующими датчиками. Записанный сигнал используется для модуляции яркости электронного пучка в электронно-лучевой трубке монитора. Значение вторичного сигнала зависит от физических свойств поверхности образца. В результате на экране монитора формируется изображение поверхности, отображающее топографию соответствующего физического свойства исследуемого объекта.

4.2 Требования к образцам

Для проведения исследований методом РЭМ объекты должны отвечать ряду требований:

1. Исследуемые образцы не должны способствовать избыточному накоплению заряда, спровоцированного электронным пучком, другими словами, удельное сопротивление материала образца не должно превышать величину 10⁴ Ом/см. Для работы с непроводящими или плохо проводящими образцами возможно использование газонапускного компенсатора заряда, покрытие поверхности образцов тонкими проводящими плёнками и работа в режиме низкого ускоряющего напряжения или низкого вакуума.

2. Исследуемые объекты должны иметь подходящий размер, ограниченный сверху размерами шлюза рабочей камеры и быть устойчивыми к облучению пучком электронов с дозой около 10³ мкКл/см².

3. Поскольку исследования проводятся в вакуумной камере, образцы должны быть стабильны и не возгоняться/испаряться при давлении 10^-4 Па.

4.3 Применение растрового электронного микроскопа

Растровая электронная микроскопия используется практически во всех областях науки и производства и позволяет:

· строить карты распределения элементов по выбранной площади образца;

· исследовать структуры образцов под действием механических нагрузок - растяжения и сжатия;

· исследовать структуры образцов при нагреве или охлаждении;

· изучать катодолюминесценцию;

· исследовать токи, индуцированные в образцах электронным пучком;

· проводить электронно-лучевую литографию. анализировать микро- и наноморфологию поверхности образцов;

· изучать структуру, текстуру микрокристаллов;

· исследовать распределение фаз в образце;

· проводить качественный и количественный элементный анализ в точке, вдоль линии и по площади;



5. Лазерная гранулометрия

Лазерная дифракция (лазерная гранулометрия) -- это широко используемая технология анализа размера частиц, подходящая для материалов с размерами частиц от сотен нанометров до нескольких миллиметров.

Для многих дисперсных материалов наиболее важным физическим параметром является размер частиц (распределение частиц по размерам). Этот параметр определяется в широком спектре отраслей промышленности, так как этот параметр имеет решающее значение в производстве многих продуктов. Такие свойства, как реакционная способность реагентов и катализаторов, стабильность суспензий, насыпная плотность и пористость керамики и строительных смесей, транспортные свойства гранул и прочность напрямую зависят от размера частиц.

Рис. 5.1 Лазерный анализатор размера частиц Mastersizer 3000



5.1 Принцип работы

Определение распределения частиц по размерам методом лазерной дифракции основано на измерении углового распределения интенсивности рассеянного света при прохождении лазерного луча через дисперсный образец. Крупные частицы преимущественно рассеивают свет под малыми углами к лазерному лучу, в то время как мелкие частицы рассеивают свет под большими углами (см. ниже). Размер частиц, образующих индикатрису рассеяния, совпадающий с данными измерений угловой зависимости интенсивности рассеянного света, определяется с использованием теории рассеяния света. Размер частиц выражается диаметром сферы эквивалентного объема.

5.2 Преимущества лазерной дифракции

Использование лазерной дифракции для анализа распределения частиц по размерам дает пользователям множество преимуществ.

1. Надежность. Лазерные дифракционные приборы характеризуются большой надежностью и низкими требованиями к техническому обслуживанию. Метод практически не подвержен внешним помехам, и многие приборы находятся на производственных объектах.

2. Широкий диапазон измерений. Современные лазерные дифракционные анализаторы определяют распределение частиц по размерам в очень широком диапазоне измерений. Обычно покрывается диапазон размеров от 10 нм до 4 мм, что соответствует 400000-кратной разницей между самыми мелкими и самыми крупными измеряемыми частицами. Однако на практике лазерная дифракция обычно применяется в диапазоне от около 30 нм до 1000 мкм.

3. Высока пропускная способность образцов и простота в эксплуатации. Короткое время измерения является основным преимуществом лазерной дифракции. Весь цикл измерения занимает 1-2 минуты, в зависимости от использования ультразвука и количества циклов очистки. В случае измерения всухую время измерения составляет 10 - 40 секунд.

4. Универсальность. Лазерная дифракция используется во многих различных отраслях промышленности для рутинного анализа и контроля качества, а также для сложных задач исследований и разработок.

5. Точность и воспроизводимость. Использование СРП гарантирует, что анализ с помощью лазерной дифракции всегда выполняется в одних и тех же условиях. Это практически исключает ошибки оператора и гарантирует высокую воспроизводимость даже между анализаторами, установленными в разных местах.



6. Газовая хроматография

Газовая хроматография (ГХ) - распространенный тип хроматографии, используемый в аналитической химии для разделения и анализа соединений, которые могут испаряться без разложения. Типичное применение ГК включает в себя проверку чистоты конкретного вещества или разделение различных компонентов смеси. В препаративной хроматографии ГХ может использоваться для получения чистых соединений из смеси.

Газовая хроматография также иногда известна как парофазная хроматография (VPC) или газожидкостная разделительная хроматография (GLPC). Эти альтернативные названия, а также соответствующие им аббревиатуры часто используются в научной литературе.

Газовая хроматография -- это процесс разделения соединений в смеси путем введения газообразного или жидкого образца в подвижную фазу, обычно называемую газом-носителем, и пропускания газа через неподвижную фазу. Подвижной фазой обычно является инертный газ или нереактивный газ, такой как гелий, аргон, азот или водород. Неподвижная фаза представляет собой микроскопический слой вязкой жидкости на поверхности твердых частиц на инертной твердой подложке внутри куска стекла или металлической трубки, называемой колонной. Поверхность твердых частиц также может выступать в качестве неподвижной фазы в некоторых колоннах. Стеклянная или металлическая колонна, через которую проходит газовая фаза, расположена в печи, где можно контролировать температуру газа, а элюент, выходящий из колонны, контролируется компьютеризированным детектором.



Рис. 6.1 Хроматограф "Хроматэк - Кристалл 5000"

6.1 Основные элементы газового хроматографа и их назначение

Исследуемая проба подается в прибор через систему ввода. Движение анализируемого вещества обеспечивается за счет потока инертного газа-носителя, не оказывающего влияние на точность получаемых результатов.

Разделение проб (определение количества составляющих компонентов) осуществляется по следующей технологии:

Смесь анализируемого вещества и газа носителя поступает в хроматографическую колонку, представляющую собой трубку, заполненную сорбентами различного типа. Для поддержания оптимального температурного режима, необходимого для взаимодействия химических веществ, колонка помещается в термостат. При прохождении смеси через устройство, происходит частичное поглощение отдельных компонентов применяемыми сорбентами. За счет этого удается разделить исходный поток на несколько составляющих, содержащих отдельные вещества.

Полученные в результате хроматографического разделения компоненты поступают в детектор, который по изменению физических характеристик вещества позволяет определить количественное содержание того или иного элемента. К учету берут изменение теплопроводности смеси, величину возникающих ионизационных токов, давление и другие параметры, позволяющие определить концентрацию вещества.

6.2 Порядок исследования

Само исследование смесей в газовом хроматографе выглядит следующим образом:

· Поступление пробы в устройство ввода. Небольшое количество исследуемого вещества помещается в устройство ввода при помощи специального дозатора, как правило, шприца для хроматографии. Здесь же происходит испарение жидких проб с последующим поступлением в хроматографическую колонку.

· Разделение смеси на монокомпоненты. Смесь делится на отдельные элементы при одновременном протекании процессов сорбции-десорбции веществ между элюентом и неподвижной фазой.

· Перемещение в детектор монокомпонентов и газа-носителя. Здесь происходит регистрация веществ, которые по своим физико-химическим свойствам отличаются от газа-носителя, и преобразование их в электросигнал.

· Усиление электрического сигнала и преобразование его в аналоговое напряжение. На этом этапе данные получают цифровую форму.

· Составление хроматограммы. Регистратор (как правило, это ПК) выстраивает график зависимости сигнала от времени. Этот график принято называть хроматограммой.



Рис. 6.2 Хроматограмма

6.3 Колонки газового хроматографа

Разделение вещества на компоненты происходит именно в хроматографических колонках. В ходе исследования трубки наполняют неподвижной фазой. Различают два типа колонок:

· Насадочные (а, б) -- трубки большого диаметра (ориентировочно -- около 2 мм), которые заранее наполняют адсорбентом. Такие колонки можно изготовить самостоятельно, их также называют «набивными».

· Капиллярные (в) -- полые или открытые колонки. Состоят из капилляров малого диаметра (как правило, 0,53 мм, 0,32 мм, 0,25 мм, 0,1 мм). За счет малого диаметра существенно снижается размытие пиков в результате диффузии, а значит -- повышается эффективность. Использование капиллярных колонок способствует сокращению времени проводимого анализа и улучшению дифференцирования веществ на компоненты.

Рис. 6.4 Колонки газового хроматографа

а -- насадочная колонка; б -- микронасадочная колонка; в -- капиллярная колонка.

6.4 Сферы применения

Область использования газовой хроматографии обширна. С помощью устройств проводят различные исследования - от анализа простых газов до выявления веществ в сложных составах. Газовый хроматограф позволяет анализировать летучие и полулетучие вещества. Ограничение распространяются только на термолабильные газы, которые деградируют в условиях высокой температуры. При этом образуются неспецифичные продукты распада.

Газовая хроматография применяется:

· При производственном анализе для переработки нефти, газа, пластмассы. В фармацевтической отрасли, при производстве пищевых продуктов, парфюмов, пр.

· Для экологического мониторинга, чтобы выявить пестициды, диоксины, гербициды, бифенилы, полиароматические углеводы.

· Для проведения судебно-медицинской экспертизы на предмет выявления наркотиков, сильнодействующих, взрывчатых веществ.

· Для проведения лабораторных, научных исследований.



7. Масс-спектроскопия

Масс-спектрометрия (МС) -- это аналитический метод, который используется для измерения отношения массы к заряду ионов. Результаты обычно представляются в виде масс-спектра, графика интенсивности в зависимости от отношения массы к заряду. Масс-спектрометрия используется во многих различных областях и применяется как к чистым образцам, так и к сложным смесям.

Масс-спектр -- это график ионного сигнала в зависимости от отношения массы к заряду. Эти спектры используются для определения элементной или изотопной сигнатуры образца, массы частиц и молекул, а также для выяснения химической идентичности или структуры молекул и других химических соединений.

Рис. 7.1 Масс-спектр бензола ()

В типичной процедуре МС образец, который может быть твердым, жидким или газообразным, ионизируется, например, путем бомбардировки его пучком электронов. Это может привести к тому, что некоторые молекулы образца распадутся на положительно заряженные фрагменты или просто станут положительно заряженными без фрагментации. Эти ионы (фрагменты) затем разделяются в соответствии с их отношением массы к заряду, например, ускоряя их и подвергая их воздействию электрического или магнитного поля: ионы с одинаковым отношением массы к заряду будут подвергаться одинаковому отклонению. Ионы обнаруживаются механизмом, способным обнаруживать заряженные частицы, таким как электронный умножитель. Результаты отображаются в виде спектров интенсивности сигнала обнаруженных ионов в зависимости от отношения массы к заряду. Атомы или молекулы в образце могут быть идентифицированы путем корреляции известных масс (например, целая молекула) к идентифицированным массам или через характерную картину фрагментации.

Рис. 7.2 Масс-спектрометр с индуктивно-связанной плазмой NexION® 1000

7.1 Принцип работы

Различные типы масс-спектрометров объединяет принцип действия прибора, по которому проводится анализ вещества. Метод масс-спектрометрии основан на пространственной или временной сепарации различающихся по массе и предварительно ионизированных молекул.

Рис. 7.3 Блок-схема масс-спектрометра

В источнике ионов анализируемое вещество ионизируется. Ионизация может осуществляться по принципу электронного удара или методом термоионной эмиссии.
В случае метода электронного удара -- электроны, излучаемые накаленным катодом, воздействуют на молекулы анализируемого вещества. В случае метода термоионной эмиссии - с раскаленной поверхности катода из тугоплавкого металла испаряются атомы (молекулы) и образуются ионы.
Положительно заряженные частицы, которые образовались в ходе испарения, в электрическом поле ускоряются и фокусируются в узкий пучок, вытягивающийся ускоряющим и фокусирующим электродами, составляющими ионно-оптическую систему источника частиц.

Принцип, по которому проводится анализ, определяет наличие следующих основных узлов у каждого масс-спектрометра:

1. Источник ионов, в котором осуществляется новообразование и формирование пучка или групп частиц.

2. Масс-анализатор, где производится разделение сформированного потока на компоненты, отличающиеся величиной отношения их массы к заряду.

3. Устройства для улавливания и регистрации частиц. Принцип действия устройств -- измерение интенсивности ионного тока каждого компонента.

Кроме перечисленных основных узлов, в них также содержатся вакуумные системы с насосами и вентилями для получения высокого вакуума, манометры, системы подготовки и ввода анализируемого вещества в источник ионов, электронные схемы питания, индикаторы массовых чисел, стабилизаторы тока и напряжений и т.д.

7.2 Области применения масс-спектрометрии

Масс-спектрометрия используется практически во всех сферах человеческой деятельности, так как, в частности, ISP-MS является точнейшим методом анализа, позволяющим определять большинство элементов с концентрациями порядка 10^-10% масс.

· Научные исследования: определение концентраций ультраразбавленных раствором, что актуально, прежде всего, в радиохимии.

· ядерная энергетика: определение степени обогащения материалов, а также их чистоты.

· обеспечение безопасности: поиск террористов через определение происхождения взрывчатого вещества, борьба с наркотрафиком, защита экономической безопасности страны через проверку товара на границе;

· фармацевтика: создание новых лекарств, контроль их производства, биохимия, генная инженерия, анализ токсичных препаратов и контроль за распространением наркотических и психотропных веществ;

· медицина: диагностика инфекций, определение наличия в крови спортсменов допинга;

· нефтегазовая промышленность: поиск новых нефтяных полей, оптимизация процессов добычи, поиск виновных в экологических катастрофах;

Пожалуй, главный недостаток масс-спектрометрии, в частности, ISP-MS - высокая сложность и дороговизна проводимого анализа.



8. УФ спектроскопия

Ультрафиолетовая спектроскопия, раздел спектроскопии, включающий получение, исследование и применение спектров испускания, поглощения и отражения в УФ-области спектра от 400 нм до 10 нм. Исследованием спектров в области 200--10 нм занимается вакуумная спектроскопия (см. Ультрафиолетовое излучение). В области спектра 400--200 нм используют приборы, построенные по тем же оптическим схемам, что и для видимой области спектра; отличие состоит лишь в замене стеклянных призм, линз и др. оптических деталей на кварцевые. При измерении интенсивности УФ-излучения в качестве эталонных применяют источники, имеющие в УФ-области спектра известное распределение спектральной яркости (ленточная вольфрамовая лампа, угольная дуга, а также синхротронное излучение); стандартными приёмниками в этой области спектра являются термопара и градуированные фотоэлементы.

Ультрафиолетовая спектроскопия применяется при исследовании атомов, ионов, молекул и твёрдых тел для изучения их уровней энергии, вероятностей переходов и др. характеристик. В УФ-области спектра лежат резонансные линии нейтральных, одно- и двукратно ионизованных атомов, а также спектральные линии, испускаемые возбуждёнными конфигурациями высокоионизованных атомов. Электронно-колебательно-вращательные полосы молекул в основном также располагаются в ближней УФ-области спектра. Здесь же сосредоточены полосы поглощения в спектрах большинства полупроводников, возникающие при прямых переходах из валентной зоны в зону проводимости. Многие химические соединения дают сильные полосы поглощения в УФ-области, что создаёт преимущества использования УФ-спектроскопии в спектральном анализе. Этот метод имеет большое значение для внеатмосферной астрофизики при изучении Солнца, звёзд, туманностей и др.

В УФ-области поглощают все органические вещества. Как правило, «рабочая» область составляет интервал 190--730 нм, главным образом от 200 до 380 нм. В этих областях прозрачны оптические материалы для изготовления призм и кювет. Длины волн менее 190 нм (вакуумный ультрафиолет) менее удобен для работы, так как в этой области поглощают компоненты воздуха -- кислород и азот. Поэтому для работы здесь используются специальные вакуумные камеры, что усложняет лабораторную практику, однако часто бывает незаменимым, например, при исследовании диэлектриков с большой величиной запрещенной зоны.

Необходимые для исследования количества вещества невелики -- около 0,1 мг. В связи с этим УФ-спектроскопия является одним из наиболее распространенных физико-химических методов исследования органических и неорганических соединений.

Рис. 8.1 УФ-спектрофотометр SHIMADZU UV-1601

8.1 Принцип работы

Рис. 8.2 Принципиальная схема оптического спектрофотометра

Современный спектрофотометр состоит из следующих частей:

1. Источник излучения.

2. Монохроматор.

3. Фотометр.

4. Кюветное отделение.

5. Приёмник.

Источником излучения обычно является водородная (дейтериевая) лампа в ультрафиолетовой области и лампа накаливания с вольфрамовой нитью в видимой области (в качестве источников также используются вольфрамовые галогенные лампы, источники вспышки и т. Д.). В спектрофотометре используются дейтериевые и галогенные лампы. Используйте вращающееся зеркало, чтобы сфокусировать свет на входной щели монохроматора. Монохроматор -- это устройство, которое необходимо для излучения света с требуемой длиной волны (обычно призма или дифракционная решетка). Материал призмы должен отличаться для отдельных областей спектра. С помощью фотометра монохроматический свет делится на два одинаковых луча, один из которых направляется в кювету с раствором вещества, а другой в эталонную кювету (обычно чистый растворитель). Кювета изготовлена из материала, прозрачного в интересующей области. Наиболее часто используется кварцевая кювета. В качестве приемников излучения используются вакуумные фотоэлектрические элементы и фотоумножительные трубки, а также твердотельные фотоэлектрические элементы и пластины. Компьютер используется для автоматизации эксперимента и обработки результатов измерений.

8.2 Область применения УФ-спектроскопии

УФ-спектроскопия используется для:

1. Количественного анализа, включая контроль за ходом реакций и определение примесей в образце органического вещества, исследования процессов комплексообразования (определение состава комплексных соединений, константы устойчивости комплексных соединений). Обязательное условие для проведения количественного определения вещества спектрофотометрическим методом: в интервале возможных концентраций поглощение должно подчиняться основному закону светопоглощения. Определение концентрации вещества в анализируемом растворе проводят: по калибровочному графику; по молярному или удельному коэффициентам поглощения.

2. Идентификации органических соединений, содержащих хромофорные группировки - доказательство наличия в исследуемом веществе группировок-хромофоров - сопряженной диеновой, полиеновой и ароматической систем, а также карбонильной группы и нитрогруппы или их отсутствия; в простейших случаях, возможность определения типа хромофора, длины цепи сопряжения, числа алкильных групп при хромофоре. При сравнении спектра неизвестного соединения с известным идентичность спектров указывает на идентичность структур хромофоров.

3. Исследования деталей строения, используя величины коэффициента молярной экстинкции и длины волны в максимуме полосы поглощения. Полосы поглощения низкой интенсивности (lgе?2) относятся к группами, имеющим n>р*-переходы (С=О, С=S, С=N, N=N, NO2, NO). Полосы поглощения в области 250-300 нм с lgе=2-3 могут быть связаны с соединениями ароматического ряда, типа производных бензола, и в большинстве своем имеют колебательную структуру. Интенсивные полосы поглощения с л_макс>224 нм и lgе ? 4 характеризуют соединения с сопряженными связями. Относительное расположение хромофорных групп у кратных связей влияет на спектры поглощения, что позволяет 10 различить цис- и трансизомеры. Длинноволновая полоса р>р*-перехода трансизомера смещена батохромно и имеет большую интенсивность по сравнению с цис-изомером.



9. ИК-спектроскопия

ИК-спектроскопия, подобно УФ-, является важным методом спектрофотометрического анализа. В основе ИК-спектроскопии лежит явление возбуждения молекул, подвергшихся ИК-излучению (то излучения с длиной волны от приблизительно 1 до приблизительно 1000 мкм). Отдельные части молекул (атомы, радикалы, фрагменты цепи полимеров) за счет имеющейся энергии совершают колебания определённого характера. При воздействии излучения, лежащего в ИК-диапазоне, молекулы поглощают энергию и меняют частоту колебаний (причём, вследствие перехода между двумя энергетическими уровнями, не постепенно, а скачкообразно). Благодаря этому явлению возникает эффект ослабления поглощаемого излучения, которое затем можно детектировать. В результате обработки данных, полученных методом ИК-спектроскопии, получается график - так называемый ИК-спектр, пример которого приведён ниже. Так как структура (в частности, возможность, вид и энергия колебаний) для каждого вещества индивидуально, с помощью данного метода анализа можно идентифицировать различные вещества (или отдельные группы в структуре).

Рис. 1. ИК-спектр этанола

Стоить отметить, что воздействие излучения, очевидно, может не только вызвать поглощение, необходимое для получения спектра, но и привести к иным эффектам - в частности, отражению, рассеянию или же люминесценции. Полосы поглощения на спектре зависят от длины связи и от массы атомов, которым данная связь принадлежит - не сложно догадаться, что количество энергии, которую должна поглотить группа для изменения колебаний, тем выше, чем короче связь и чем легче связанные ею атомы.

Характеристическая полоса поглощения - интенсивная полоса на спектре, которая характерна для конкретной группы и пригодна для её идентификации. Стоить отметить, что по характеристическим полосам можно судить не только о качественном, но и количественном составе исследуемого образца.

Рис. 2. ИК-Фурье спектрофотометр Spectrum Two



9.1 Устройство и принцип работы

Типичный дисперсионный ИК-спектрометр функционирует следующим образом. Излучение от полихроматического источника проходит через кювету с образцом, а затем попадает на монохроматор, в качестве которого выступает призма либо дифракционная решётка. Далее инфракрасное излучение, разложенное в спектр, проходит через узкую щель, позволяющую выбрать необходимый спектральный диапазон и направить его на детектор, где происходит определение его интенсивности. Проход по всему спектральному диапазону достигается за счёт поворота призмы или дифракционной решётки: при этом в щель поочерёдно попадает излучение с разными длинами волн, что позволяет записать спектр.

Обычно дисперсионный прибор имеет двухлучевую оптическую схему. В нём регистрируется интенсивность не только пучка, проходящего через образец, но и пучка сравнения, который проходит через пустую кювету или кювету, заполненную чистым растворителем. Далее оба пучка поочерёдно попадают на монохроматор и детектор, где их интенсивности сравниваются. Конструкционно это достигается при помощи круглого зеркала, в котором часть секторов зеркальная, а часть пустая. Такое строение зеркала позволяет либо пропускать на детектор луч от образца, либо отражать на детектор луч сравнения, а за счёт вращения зеркала эти фазы быстро чередуются.

При использовании ИК-спектрофотометра стоить учитывать различные свойства материалов, используемых при анализе. Стекло (или стеклоподобные материалы) могут быть химически неустойчивы по отношению к исследуемым образцам, либо же (такие, как кварцевое стекло) могут пропускать ИК-излучение лишь в определённом диапазоне (или не пропускать вообще). Наиболее распространённые материалы - фторид кальция, а также хлориды калия и натрия.

9.2 Область применения

Изучив ИК-спектр, можно сделать выводы о строении вещества (это часто используется для определения структуры антибиотиков, ферментов или, например, комплексных соединений). По положению пиков и их числу можно судить о наличии веществ в образце, а на основании интенсивности можно проводить количественный анализ.



Заключение

В ходе прохождения практики я ознакомился с рядом методов анализа, в первую очередь - практически, научился самостоятельно проводить исследования на различных установках и устройствах.

Полученные знания и навыки, очевидно, помогут в дальнейшем при работе в лаборатории, в чём я лично убедился в ходе работы в ИОНХ и ИФХЭ РАН. Данный практический курс дал возможность получить начальный опыт и первое представление о будущей профессии в сфере материалов современной энергетики.



Список использованных источников

1. Рентгенография. Качественный рентгенофазовый анализ. Монина Л.Н., 2021 г.

2. Метод УФ-спектроскопии и его применение в органической и физической химии. Якимова Л.С., 2015 г., КФУХИ им. Бутлерова.

3. Качественный рентгенофазовый анализ, Васильев Е.К., 1896 г.

4. Масс-спектрометрия в органической химии. Терентьев П.Б., Высш. шк., 1979 г., 224 с.

5. Практическая растровая электронная микроскопия. Дж. Гоулдстейн, Х. Яковиц, Москва, «Мир», 1978 г. УДК 621.385.833.

6. Рентгеновский микроанализ с помощью электронного зонда. Л.С. Биркс Москва, Металлургия, 1966. - 216 стр. УДК 539.26;

7. Сайт: ww.sciencedirect.com

8. Сайт: wikipedia.org

9. Сайт: chromatograf.ru

10. Сайт: dspace.kpfu.ru

11. Методы физико-химического анализа, лекции, М.Б. Розенкевич, 2022 г.

12. Методы химического анализа. Золотов Ю.А., Дорохова Е.Н., Фадеева В.И. Москва, Высшая школа, 2002 г., 494 с.

Размещено на Allbest.ru

...