Скачиваний:
37
Добавлен:
29.03.2016
Размер:
853.5 Кб
Скачать

Лабораторная работа №1. Качественный спектральный анализ.

Под спектральным анализом понимают физический метод ана­лиза химического состава вещества, основанный на исследовании спектров испускания и поглощения атомов или молекул. С помощью спектрального анализа могут решаться различ­ные аналитические задачи, касающиеся определения элементного, молекулярного или изотопного состава исследуемых образцов.

Методы, применяемые для решения перечисленных аналити­ческих задач, весьма разнообразны. Они определяются специфи­ческими особенностями того спектра, который использован в каж­дом конкретном случае анализа.

Спектральный анализ, основанный на использовании оптиче­ских спектров испускания атомов и ионов, называют эмиссионным спектральным анализом. Эмиссионные линейчатые спектры, излу­чаемые атомами и ионами, не зависят от вида химических соединений, из которых состоит исследуемое вещество. Поэтому эти спектры применяются для определения элементов, входящих в со­став анализируемого образца, и их процентного содержания (атомный или элементный анализ).

Возбуждение спектров испускания, или эмиссионных спект­ров, происходит при сжигании некоторого количества исследуемого вещества (пробы) в электрической дуге, искре или другим под­ходящим способом. При этом проба испаряется, молекулярные соединения обычно диссоциируют на атомы, которые возбуждают­ся и дают свечение.

В методическом отношении общая задача анализа обычно де­лится на две самостоятельные аналитические задачи: качествен­ный спектральный анализ, имеющий целью выяснить, какие хими­ческие элементы входят в состав исследуемого вещества, и коли­чественный спектральный анализ, решающий и вопрос о количест­венном содержании отдельных химических элементов в веществе исследуемой пробы.

При решении обеих задач используются одни и те же экспе­риментальные средства для возбуждения и регистрации спектров.

Экспериментальная установка для спектроаналитических ис­следований состоит из трех основных элементов: источника воз­буждения спектра, спектрального прибора и регистрирующей ча­сти.

Анализируемое вещество тем или иным способом переводится в парообразное состояние и возбуждается свечение его паров.

Излучение направляется в спектральный прибор, который про­странственно разделяет его монохроматические составляющие и располагает их в упорядоченную систему по длинам волн.

Спектр исследуемого вещества регистрируется визуально, фо­тографически или средствами фотоэлектрической регистрации. Фо­топластинка, на которой сфотографирован спектр или запись, по­лученная с помощью регистрирующего устройства, называется спектрограммой.

Источники света.

Применение того или иного источника возбуждения спектра (или, как его часто называют, источника света) определяется кон­кретными целями работы и возможностями источника образовы­вать интересующий нас спектр. Источники света в эмиссионном спектральном анализе, как правило, одновременно выполняют две функции: переводят вещество пробы в парообразное состояние и возбуждают спектры излучения этих паров. Наибольшее распрост­ранение для аналитических целей получили нижеперечисленные источники света.

Высокотемпературное пламя, получаемое при сжигании горю­чих газов. Анализируемое вещество вносится в пламя горелки с помощью специальных распылителей. Температура пламени за­висит от состава горючей смеси и может варьироваться в преде­лах 1700-3000°С. Пламя применяется при качественном и ко­личественном анализах веществ со сравнительно низкими темпе­ратурами испарения, имеющими в спектре линии с небольшими потенциалами возбуждения. Такие пламя в основном исполь­зуется при анализе щелочных, щелочноземельных и некоторых других элементов.

Дуговой разряд между металлическими или угольными элетродами. При анализах токонепроводящих материалов используются угольные электроды. Небольшие пробы помещаются в уг­лубление одного из угольных электродов или наносятся в виде тонкого слоя на торцы электродов. Температура .дугового разряда зависит от состава плазмы в разрядном промежутке обычно со­ставляет 4000-7000 К. В дуге испаряются все известные вещества и возбуждаются спектры преимущественно нейтральных ато­мов (дуговые спектры) большинства химических элементов. Ду­говой разряд применяется при качественном и количественном анализах металлов, сплавов, образцов минерального сырья и т. д. Для питания дугового разряда используются как постоянный, так и переменный токи. В последнем случае применяются генераторы активизированной дуги переменного тока, в которых периодическая,

Рис. 1. Электрическая схема генератора дуги переменного тока: 1-трансформатор 220/3000 В; 2-высокочастотный повышающий трансформатор; 3 - вспомогательный разрядный промежуток; 4- дуговой промежуток; 5 и 6-реостаты, регулирующие силу тока в цепи трансформатора 1 и в дуговом разряде; 7 - конденсатор С0,003 мкФ; 8 - конденсатор С0,5 мкФ; 9 - амперметр; 10- кнопка включения

ионизация разрядного промежутка и, тем самым, периодиче­ский поджиг дугового разряда осуществляются с помощью вспомогательной высокочастотной искры.

Конденсированный искровой разряд между металлическими или угольными электродами. Конденсатор совместно с вводимой в разрядную цепь индуктивностью образует колебательный кон­тур. Период колебаний, возбуждаемых в нем, определяется пара­метрами контура и составляет ~10-5 — 10-6 с. Малое время разря­да определяет большую плотность тока и соответственно большую температуру разряда, которая может достигать 10000 - 12000 К. При этом возбуждаются спектральные линии практически всех химических элементов. Для многих из них, в основном для металлов преимущественно возбуждаются линии ионов (искровые спектры). Стабильный искровой разряд, получаемый с по­мощью специальных генераторов искры, применяется для коли­чественного спектрального анализа.

В спектральном анализе помимо этих основных применяются и другие источники света. К их числу относятся: разрядные труб­ки с полым катодом, плазменные горелки (плазмотроны), пред­ставляющие собой генераторы потока плазмы, образующегося при нагревании инертного газа электрической дугой, оптические квантовые генераторы (рубиновый или на стекле с примесью неодима) — лазеры, сфокусированное излучение которых способно ис­парять небольшие порции любых веществ, а также возбудить све­чение этих паров.

Спектральные приборы.

Для эмиссионного спектрального анализа применяются раз­личные спектральные приборы.

Спектрографы, у которых спектры регистрируются на фотогра­фическую пластинку.

Стилоскопы и стилометры, предназначенные для визуального качественного и полуколичественного анализов сталей и сплавов.

Квантометры, представляющие собой п о л и х р о м а т о р ы с фотоэлектрической регистрацией световых потоков и предназначен для быстрого и автоматизированного проведения большого числа анализов. От монохроматоров они отличаются тем, что вместо одной щели в фокальной плоскости выходного объектива ус­танавливается несколько щелей, служащих для выделения нескольких, заранее выбранных, спектральных линий.

Наиболее распространенными приборами, применяющимися для эмиссионного спектрального анализа, являются спектрографы.

Большинство задач эмиссионного анализа решается при использовании спектральных линий, расположенных в видимом, ближнем ультрафиолетовом (УФ) и инфракрасном (ИК) участках спектра. В соответствии с этим чаще всего применяются спектрографы, работающие в интервале длин волн 200 — 1000 нм. Они строятся как с применением дифракционных решеток, так и призменных систем. В последнем случае приборы подразделяются на две группы: 1) для УФ-области спектра и 2) для видимой и ближ­ней ИК-области. В приборах первого типа призмы и другие опти­ческие детали обычно изготовляются из кварца, в приборах второ­го типа - из стекла.

Рабочий диапазон спектра со стороны коротких длин волн ограничивается поглощением излучения оптическими деталями при­бора и в слое воздуха между источником света и приемником. Со стороны длинноволновой части спектра рабочий диапазон огра­ничивается величиной области дисперсии материала призм и об­ластью чувствительности приемника излучения.

В зависимости от числа призм и фокусного расстояния выходного объектива различают спектрографы с большой (десятые или сотые доли нм/мм), средней (единицы нм/мм) и малой (десятки нм/мм) обратными дисперсиями.

Выбор типа спектрального прибора определяется конкретными условиями анализа - областью спектра, где расположены аналитические спектральные линии, числом линий в спектре пробы и способом регистрации спектра.

Соседние файлы в папке Атомная и ядерная физика