Metodele de analiză spectrală se bazează pe studiul spectrelor optice de emisie sau absorbție. Se face o distincție între analiza spectrală de absorbție atomică (analiza bazată pe spectre de absorbție) și analiza spectrală de emisie (analiza bazată pe spectre de emisie). Analiza spectrală este utilizată pe scară largă pentru analiza calitativă și cantitativă a diferitelor substanțe. Din liniile caracteristice ale spectrului se poate determina compoziția elementară a unei substanțe, iar intensitatea liniei spectrale este o măsură a concentrației substanței din probă.

Spectroscopie de emisie

Atomii elementelor în stare excitată emit radiații cu o lungime de undă strict definită. Spectrele de emisie (spectrele de emisie) pentru fiecare element sunt individuale, ele constau dintr-un anumit set de linii caracteristice, din care se poate determina compoziția elementară a substanței și concentrația acesteia.

În analiza spectrală de emisie, proba studiată este evaporată sau arsă dacă este lichidă sau solidă, apoi supusă la temperatură ridicată sau la o sarcină electrică pentru a transfera atomii într-o stare excitată, iar spectrul este înregistrat. Analiza calitativă a emisiilor se reduce la descifrarea liniilor din spectrul probei analizate. Analiza cantitativă se bazează pe compararea intensității liniilor spectrale ale probei cu intensitatea liniilor din spectrul unei probe standard, determinându-se conținutul elementului în care este cunoscut.

Sursele de excitare pot fi flacără, arc electric, scânteie, impuls sau descărcare electrică în vid. O descărcare de arc produce o temperatură de 5000-7000 °C, la care atomii majorității elementelor intră într-o stare excitată. Într-o scânteie de înaltă tensiune cu o temperatură de 7000-15000 °C, sunt excitați atomii elementelor cu un potențial de excitație ridicat. Pentru a excita gaze inerte se folosesc descărcări electrice de vid și impulsuri.

După metoda de înregistrare a spectrului, se disting mai multe tipuri de analiză spectrală de emisie. În analiza vizuală, compoziția calitativă este determinată prin observarea directă a spectrului vizibil. Mai precisă este analiza fotografică, conform căreia spectrul este fotografiat pe o placă fotografică, care este apoi examinat pe un spectroproiector pentru determinări calitative sau fotometrat cu ajutorul unui microfotometru pentru determinări cantitative. Pe o placă fotografică se obțin o serie fixă ​​de linii corespunzătoare liniilor spectrale ale probei studiate, al cărei grad de înnegrire este proporțional cu intensitatea acestor linii.

Spectroproiectoarele sunt folosite pentru a descifra spectrogramele. Industria autohtonă produce spectroproiectorul PS-18, care face posibilă obținerea unor secțiuni mici ale spectrului mărite de 20 de ori pe ecran, facilitând descifrarea lor în timpul analizei calitative sau semi-cantitative exprese.

Densitatea de înnegrire a liniilor de pe o placă fotografică este măsurată cu ajutorul microfotometrelor. Fluxul luminos este trecut prin partea neînnegrită a plăcii fotografice și apoi direcționat către o fotocelulă cu un galvanometru. Se notează deformarea acului galvanometrului pe scară. Apoi, fluxul de lumină este trecut prin partea înnegrită a plăcii și se observă din nou devierea acului galvanometrului. Densitatea de înnegrire este determinată de ecuația:

unde I0 este intensitatea luminii care trece prin partea neînnegrită a plăcii fotografice; I este intensitatea luminii care trece prin partea înnegrită a plăcii fotografice.

Deoarece densitatea înnegririi este proporțională cu concentrația elementului, pe baza citirilor galvanometrului se construiește un grafic de calibrare al dependenței înnegririi de concentrație. Folosind acest grafic, se determină apoi conținutul elementului. Pentru a determina densitatea înnegririi liniilor pe o spectrogramă, se utilizează un microfotometru MF-2 (sau MF-4) și un microfotometru cu două fascicule IFO-451.

În analiza emisiilor fotoelectrice, liniile analitice sunt înregistrate folosind fotocelule. Rezultatul analizei este indicat pe scara dispozitivului de măsurare sau înregistrat pe banda unui dispozitiv de auto-înregistrare.

Spectrograf cu cuarț ISP-28. Spectrograful ISP-28 este utilizat pentru a obține spectre în intervalul de lungimi de undă 200-600 nm. Efectuează analize calitative și cantitative ale metalelor, aliajelor, minereurilor, mineralelor și altor materiale. În fig. 126 prezintă schema optică a dispozitivului. Lumina de la sursa 1 (arc sau scânteie) printr-un condensator cu trei lentile 3-5, protejat de stropi de metal printr-o placă de cuarț 2, este direcționată într-o fantă 6 situată la focarul unei lentile de oglindă 8. Un fascicul paralel de lumină reflectată de această lentilă este direcționată către o prismă de cuarț 9. Lumina de dispersie expusă este focalizată de o lentilă de cuarț 10 pe emulsia plăcii fotografice 11.

Alte spectrografe. Spectrograful de laborator cu cuarț de banc ISP-30 este utilizat pentru analiza calitativă a metalelor, aliajelor și minereurilor; Spectrograful din sticlă cu trei prisme ISP-51 este utilizat pentru analiza substanțelor care conțin elemente cu un număr mic de linii spectrale. Pentru a analiza substanțe care conțin elemente cu spectre deosebit de complexe, se folosește spectrograful STE-1. Pentru analiza calitativă și cantitativă a metalelor, minereurilor, mineralelor etc., se utilizează un spectrograf cu focalizare lungă DFS-8 (trei modificări) cu rețele de difracție și un spectrograf de difracție DFS-452.

Fotometria flacara

Fotometria cu flacără este una dintre cele mai precise metode de analiză spectrală a emisiilor. Această metodă este utilizată pe scară largă pentru determinarea metalelor alcaline și alcalino-pământoase. Esența metodei fotometriei cu flacără este următoarea.

Soluția substanței analizate este pulverizată cu aer comprimat în zona de flacără a unui arzător cu gaz, în care este arsă acetilenă, hidrogen, iluminat sau alt gaz. Flacăra arzătorului servește și ca sursă de energie pentru a excita atomii. Un dispozitiv optic selectează linia spectrală a elementului care se determină și măsoară intensitatea acestuia folosind o fotocelulă. Intensitatea liniei spectrale este proporțională cu concentrația de sare din soluție (în anumite limite). Concentrația elementului este determinată folosind o curbă de calibrare. Mai jos sunt prezentate compoziția unor amestecuri de gaze inflamabile și temperatura medie obținută la arderea lor (în °C):

Fotometru cu flacără portabil PPF-UNIZ. Schema schematică a fotometrului PPF-UNIZ este prezentată în Fig. 127. Gazul combustibil dintr-o butelie (sau rețeaua orașului) trece prin manostatul 2, sticla tampon 3, filtrul 4 și intră prin microrobinetul 5 în mixerul 7, care îndeplinește simultan funcția de eliminator de picături. Presiunea gazului după manostat este menținută constantă folosind un micro robinet 5 și este măsurată cu un manometru de lichid în formă de U 6. Excesul de gaz iese în arzătorul de laborator 1 și este ars.

Aerul comprimat de la un compresor (fără utilizarea lubrifierii cu ulei) sau dintr-un cilindru intră într-o sticlă tampon de 3", apoi într-un filtru 13. Presiunea aerului este menținută constantă cu ajutorul unui microrobinet 12 și măsurată cu un manometru 11. Aerul intră în pulverizatorul 8, unde soluția analizată este aspirată din paharul 10. Soluția sub formă de aerosol fin atomizat intră în mixerul 7, unde este amestecată cu gazul inflamabil, amestecul gaz-aer părăsind mixerul, conținând elementul studiat în stare pulverizată și intră în arzător 20 printr-un colector de picături 14.

Lungimea de undă a liniei galbene a flăcării de sodiu este de 589±5 µm, linia roșie a calciului este de 615±5 µm, iar linia infraroșie a potasiului este de 766±5 µm. Intensitatea acestor linii este înregistrată de o fotocelulă 16, echipată cu filtre de interferență înlocuibile 17 și diafragme 18. La determinarea sodiului și calciului se folosesc fotocelule cu seleniu de tip AFI-5 cu o sensibilitate de 460-500 μA/lm, pt. determinarea potasiului - o fotocelulă cu sulf de argint de tip FESS-UZ cu sensibilitate 6000-9000 µA/lm. Fotocelulele și filtrele de lumină sunt protejate de radiația termică directă a flăcării printr-un ecran de sticlă 19. Fotocurenții rezultați sunt înregistrați de un microampermetru magnetoelectric 21 tip M-95, la care două dintre cele trei fotocelule sunt conectate conform unui circuit de compensare printr-un întrerupător electric 15.

Înainte de a începe lucrul cu dispozitivul, deschideți ușa 10 (Fig. 128) și fixați-o cu un zăvor. Un tub de cauciuc este conectat la tubul de scurgere 14 al pulverizatorului 12 și se coboară într-un vas cu un lichid de barieră de 20-25 cm înălțime Un pahar cu o capacitate de 25-30 ml de apă distilată este plasat sub tubul de aspirație 13 al. pulverizatorul. Pe ușă este instalat un dispozitiv de protecție (vizier) 11, iar dispozitivul este conectat la o rețea de curent alternativ de 220 V (50 Hz). Porniți compresorul pentru a furniza aer și, rotind încet mânerul micro-robinetului „aer” 4 în sens invers acelor de ceasornic, obțineți o bună atomizare a apei distilate, adică. formarea de aerosoli foarte dispersi. Presiunea optimă a aerului (4-8) * 10000 Pa (0,4-0,8 atm) nu ar trebui să se schimbe pe toată durata de măsurare.

Rotiți încet mânerul micro-robinetului „gaz” 5, furnizați gaz la arzător și după 10-20 s, aprindeți-l la intrarea în arzător și la ieșirea manostatului. Alimentarea cu gaz este reglată astfel încât conul interior al flăcării să fie vopsit în verde, iar cel exterior să fie albastru-albăstrui. Cu ajutorul mânerului 9, setați arzătorul într-o poziție în care conul interior al flăcării este coborât la 5-6 cm sub marginea orificiului de intrare a diafragmei.

Măsurătorile încep după 20 de minute de încălzire a celulei fotometrice. În timpul perioadei de încălzire, diafragma celulei trebuie să fie complet deschisă, microampermetrul este pornit la sensibilitate scăzută (1,0 μA) și apă distilată este introdusă în flacăra arzătorului. După încălzirea celulei fotoelectrice, diafragma este închisă, mânerul microampermetrului 6 este comutat la cea mai mare sensibilitate (0,1 μA) și indicatorul microampermetrului este setat la zero prin rotirea capului corector situat în partea dreaptă a dispozitivului.

Pentru a construi o curbă de calibrare, se prepară o serie de soluții standard. Pentru a prepara soluția stoc, 2,385 g de clorură de potasiu KCl (grad de reactiv) se dizolvă într-un balon cotat de 500 ml și se diluează cu apă până la semn. Se pipetează 5,00 ml din această soluție într-un balon cotat de 500 ml și se diluează cu apă distilată până la semn (diluție de 100 de ori). Soluția rezultată conține 25 mg de potasiu în 1 ml se prepară soluții care conțin 5, 10, 15 și 20 mg de potasiu în 1 ml. Pentru a face acest lucru, se pipetează 20, 40, 60 și 80 ml dintr-o soluție care conține 25 mg/ml potasiu în baloane cotate de 100 ml și se diluează volumul cu apă până la semn.

Aceste soluții sunt introduse succesiv în flacăra arzătorului și se înregistrează citirile microampermetrului. La trecerea de la o soluție la alta, pulverizatorul este spălat cu apă distilată până când acul microampermetrului revine la zero. Pe baza datelor obținute se construiește un grafic de calibrare: citiri ale microampermetrului (de-a lungul axei absciselor) - concentrația elementului care se determină (de-a lungul axei ordonatelor) (în mg/ml).

Pentru determinarea concentrației unui element în soluția de testat, acesta se introduce în flacăra arzătorului și se înregistrează citirile microampermetrului, din care, cu ajutorul unui grafic de calibrare, se determină concentrația elementului care se determină. Pe parcursul întregului proces de analiză, este necesar să se mențină constantă presiunea aerului și a gazului.

Pe lângă metoda de determinare a concentrației folosind o curbă de calibrare, se folosește metoda soluțiilor de limitare, adică. luați citiri ale unui microampermetru la analiza soluției studiate și, în paralel, citiri de la aparat la analiza soluțiilor standard: soluții cu concentrații din ce în ce mai mari. Conținutul de potasiu (în mg/l) se calculează folosind formula

unde c1 este conținutul de potasiu într-o soluție standard mai concentrată; c2 - conținutul de potasiu într-o soluție standard mai puțin concentrată; I1 - citirile microampermetrului la analiza unei solutii standard cu o concentratie mai mare; I2 - citiri ale microampermetrului la analiza unei soluții standard cu o concentrație mai mică; Ix - citiri ale microampermetrului la analiza soluției de testare.

Fotometru cu flacără Flapho-4. Dispozitiv cu două canale pentru determinarea în serie a sodiului, potasiului, calciului, litiului și plumbului cu sensibilitate ridicată. Produs în RDG.

Soluția de testare a probei este absorbită prin curgere; pulverizați cu aer comprimat și se transformă într-un aerosol. Aerosolul intră într-un rezervor special, unde se amestecă cu el un gaz inflamabil (acetilenă sau propan), iar amestecul rezultat este furnizat unui arzător înconjurat de aer purificat. Într-o flacără de gaz, substanța studiată se evaporă și atomii ei sunt excitați. Un filtru de interferență metalizat selectează o componentă de radiație monocromatică din spectrul general al flăcării, care cade pe fotocelula cu seleniu. Fotocurentul intermitent rezultat este amplificat și furnizat unui dispozitiv de măsurare sau de înregistrare. Diagrama dispozitivului este prezentată în Fig. 129.

Alte fotometre cu flacără: fotometru cu flacără cu trei canale FP-101 pentru determinarea concentrației de Na, K, Ca și Li; fotometru cu flacără PFM pentru determinarea cantitativă a concentrațiilor de elemente alcaline și alcalino-pământoase, precum și magneziu, bor, crom și mangan; analizoare fotometrice de lichide cu flacără PAZH-1 și BIAN-140 pentru determinarea microcantităților de K, Na, Ca și Li în soluții, fotometru cu flacără pentru determinarea Na și K în fluide biologice.

Spectrofotometrie de absorbție atomică

Atomii liberi într-o stare neexcitată localizați în zona de flacără cu temperatură scăzută au capacitatea de a absorbi selectiv lumina. Lungimea de undă a luminii absorbită de atomii unui element este aceeași cu lungimea de undă a luminii emise de atomii acelui element. În consecință, folosind liniile caracteristice ale spectrului de absorbție și intensitatea acestora, este posibilă analizarea substanțelor, determinând compoziția acestora și concentrația elementelor sale constitutive.

Pentru a efectua analiza de absorbție atomică, substanța studiată este evaporată prin introducerea acesteia într-o zonă de flacără la temperatură joasă. Moleculele substanței evaporate se disociază în atomi. Fluxul de lumină, în spectrul căruia se află o linie de lumină absorbită de substanță, care trece prin această flacără, este slăbită și cu cât concentrația substanței analizate este mai mare, cu atât mai mult.

În fig. 130 prezintă o diagramă schematică a instalaţiei de analiză a absorbţiei atomice. Lumina din tubul de descărcare 1 (catod gol) trece prin flacăra arzătorului 2 și este focalizată pe fanta monocromatorului 3. Apoi radiația lovește tubul fotomultiplicator, sau fotocelula 4. Monocromatorul selectează radiația cu o lungime de undă absorbită de elementul studiat din fluxul total luminos. Curentul este amplificat în blocul 5 și înregistrat de dispozitivul de măsurare 6.

Determinarea constă în măsurarea raportului dintre intensitățile luminii care trece prin flacără cu și fără analitul introdus în aceasta. Deoarece intensitatea liniei spectrale a elementului studiat în flacăra arzătorului se dovedește a fi mai mare decât intensitatea radiației lor de la catodul gol, radiația acestuia din urmă este modulată. Modularea radiației (modificarea amplitudinii și frecvenței oscilațiilor) se realizează folosind un disc rotativ cu orificii (modulatorul 7) situat între catodul gol și flacără. Amplificatorul 5 trebuie să aibă un câștig maxim pentru aceeași frecvență cu care este modulată radiația catodului gol.

Spectrofotometru de absorbție atomică AAS-1. Destinat pentru analiza spectrală de absorbție și emisie. Vă permite să definiți 65 de elemente.

Principiul de funcționare. Proba lichidă este atomizată folosind un gaz oxidant, amestecat cu un gaz inflamabil (acetilenă sau propan) și ars într-o flacără a arzătorului. Radiația de la o lampă cu catod gol trece prin flacăra arzătorului. După selectarea unei linii adecvate de către un monocromator de difracție, radiația este direcționată către un fotomultiplicator. Componenta curentului continuu cauzată de autoradiere este suprimată. Semnalul de la fotomultiplicator este amplificat, rectificat de un redresor sensibil si inregistrat. Dispozitivul este reglat și controlat folosind soluții standard.

În fig. 131 prezintă o diagramă a spectrofotometrului de absorbție atomică AAS-1.

Structura dispozitivului. Dispozitivul are un complex de montaj pentru alimentarea cu gaze, un sistem de pulverizare și ardere, un dispozitiv înlocuibil pentru lămpi cu catozi goli, un sistem optic și un dispozitiv de recepție cu amplificator și indicator.

Flacăra arzătorului este alimentată de un amestec de acetilenă sau propan și aer comprimat. Gazele intră în sistemul de ardere din cilindri convenționali cu reductoare de presiune (primare) reglate. Alimentarea cu aer fără ulei este asigurată de un compresor cu membrană (16 l/min la o presiune de 3*100000 Pa (3 atm)). Complexul de supape al dispozitivului are cutii de viteze reglabile (secundare) și debitmetre pentru a controla debitul fiecărui gaz, precum și filtre de praf sinterizate ceramice și o sticlă pentru clătirea suplimentară cu acetilenă. Supapa de siguranță oprește automat accesul gazelor inflamabile atunci când presiunea de funcționare a aerului comprimat scade (de exemplu, din cauza îndoirii sau rupturii furtunului de alimentare); supapa elimină ordinea incorectă de alimentare cu gaz la aprinderea flăcării.

Sistemul de atomizare și ardere este situat în spatele unei ferestre de sticlă laminată detașabilă, permițând observarea sistemului. Atomizorul cu duză inelară are un raport de atomizare ridicat și se caracterizează printr-un debit scăzut de lichid (3,4 ml/min sau 0,5 ml pe parcursul întregii analize). Arzătorul este echipat cu capete de duză înlocuibile - unul cu fante pentru analiza absorbției (Fig. 132, a) și două cu mai multe orificii (arzătoare Mecker cu plasă) pentru analiza emisiilor (Fig. 132,6).

Suporturile reglabile pentru patru lămpi cu catod gol sunt amplasate într-un dispozitiv care permite schimbarea rapidă a lămpii. După înlocuirea uneia dintre lămpi, suporturile nu trebuie să fie reglate.

Sistemul optic direcționează radiația lămpii sub forma unui fascicul îngust spre flacără. Datorită deplasării laterale a tubului cu sistemul de imagistică, radiația trece prin flacără o dată sau de trei ori pentru a crește sensibilitatea analizei. Un monocromator cu difracție cu deschidere mare selectează linia de rezonanță dorită din spectrul de linii al unei anumite lămpi cu catod gol. Lățimea fantei monocromatorului este reglată de la 0 la 2 mm.

O rețea de difracție de precizie cu 1300 de linii pe 1 mm și o dispersie unghiulară de 1,5 nm/mm are rezoluție înaltă. Intervalul spectral al rețelei este de la 190 la 820 nm.

Receptorul de radiații este un fotomultiplicator cu 12 trepte. Amplificatorul de instrumente, sursa de alimentare cu lămpi cu catod gol și fotomultiplicatoarele funcționează pe tranzistoare și sunt capabile să compenseze fluctuațiile tensiunii de la rețea de la +10 la -15%.

Citirile dispozitivului sunt măsurate cu ajutorul unui indicator cu cadran care are trei scale: o scară logaritmică a coeficientului de extincție de la 0 la 1,5; scară liniară de la 0 la 100 și scară de tensiune de operare de la 0 la 16 mV. Un dispozitiv de înregistrare sau de calcul poate fi conectat la dispozitiv pentru a determina concentrația sau pentru a procesa datele. Sensibilitatea determinărilor (în mg/l) este:

Aparatul funcționează dintr-o rețea de curent alternativ de 220 V, 50 Hz. Produs în RDG.

Alte spectrofotometre interne de absorbție atomică: spectrofotometru de absorbție atomică S-302 pentru determinarea urmelor de fier, cupru, zinc, cobalt, nichel, bismut, calciu și alte elemente; spectrofotometru automat de absorbție atomică AA-A pentru determinarea calciului și cuprului cu sensibilitate crescută; „Saturn” - spectrofotometru cu înregistrare semiautomată cu absorbție atomică cu flacără pentru determinarea a 32 de elemente; „Spectrum-1” este un spectrofotometru de absorbție atomică pentru determinarea rapidă a mai mult de 40 de elemente cu o sensibilitate de aproximativ 0,2 μg/ml.

Spectrofotometrul de absorbție atomică Perkin-Elmer, model 603, este produs în Anglia. Dispozitivul este construit folosind o schemă cu două fascicule și combinat cu un microcomputer. Oferă precizie ridicată și rapiditate de determinare. Pentru a aprinde flacăra se folosește un amestec inflamabil de oxigen-acetilenă.

Spectre, metode de obținere a acestora, caracteristici, clasificare și utilizare în scopuri analitice. Elementele de bază ale instrumentelor spectrale și scopul acestora

Metodele spectrale de analiză sunt metode bazate pe determinarea compoziției chimice și a structurii substanțelor din spectrul lor.

Spectrul unei substanțe este radiația electromagnetică ordonată după lungimea de undă, emisă, absorbită, împrăștiată sau refractă de substanță. Metodele bazate pe obținerea și studierea spectrelor de emisie (emisie) a radiațiilor (energiei) electromagnetice se numesc emisie, absorbție (absorbție) - absorbție, împrăștiere - metode de împrăștiere, refracție - refracție.

Spectrul unei substanțe se obține prin influențarea acesteia cu temperatura, fluxul de electroni, fluxul luminii (energie electromagnetică) cu o anumită lungime de undă (frecvența radiațiilor) și alte metode. La o anumită cantitate de energie de impact, o substanță este capabilă să intre într-o stare excitată. În acest caz, au loc procese care duc la apariția radiațiilor cu o anumită lungime de undă în spectru (Tabelul 2.2.1).

Emisia, absorbția, împrăștierea sau refracția radiațiilor electromagnetice pot fi considerate ca un semnal analitic care poartă informații despre compoziția calitativă și cantitativă a unei substanțe sau a structurii acesteia. Frecvența (lungimea de undă) a radiației este determinată de compoziția substanței studiate, iar intensitatea radiației este proporțională cu numărul de particule care au cauzat apariția acesteia, adică. cantitatea unei substanțe sau componentă a unui amestec.

Fiecare dintre metodele analitice, de obicei, nu utilizează întregul spectru al unei substanțe, acoperind intervalul de lungimi de undă de la raze X la unde radio, ci doar o anumită parte a acesteia. Metodele spectrale se disting de obicei prin gama de lungimi de undă spectrale care funcționează pentru o anumită metodă: ultraviolete (UV), raze X, infraroșu (IR), microunde etc.

Metodele care funcționează în domeniile UV, vizibil și IR se numesc optice. Ele sunt cele mai utilizate în metodele spectrale datorită simplității comparative a echipamentelor de obținere și înregistrare a spectrului.

Spectrele din domeniul optic sunt rezultatul modificărilor energiei atomilor sau moleculelor.

Tabelul 2.2.1

Tip de radiație		Procese atomice și moleculare	Surse de excitație	Detectoare de radiații
, nm	Nume
10-3	-radiaţii	Nuclear	Ciclotroni	contoare Geiger,
10-2	Raze X	reactii	contoare de scintilație, plăci fotografice
10-1	Tranzițiile externe	tuburi cu raze X
100	electroni
101	vid UV
2·102	UV departe	Tranzițiile electronilor exterioare	Tuburi cu raze X, scânteie, flacără, arc	Fotocelule, materiale fotografice
3·102	UV aproape
375-750	Vizibil	Ochi, fotocelulă
104	IR aproape	Vibrațiile moleculelor	Fire metalice încălzite	termocupluri de vid,
105	Mai departe	Rotația moleculelor	bolometre

Ca urmare a unei modificări a energiei unui atom sau a unei molecule, ei se deplasează de la starea fundamentală cu energia internă minimă posibilă E0 la o stare excitată cu energia E1. Energia internă este o mărime discretă (cuantică), prin urmare tranziția unui atom sau moleculă de la starea fundamentală la alta este întotdeauna însoțită de o schimbare bruscă a energiei, adică. primirea sau eliberarea unei porțiuni (cuantum) de energie.

Quantele de radiație electromagnetică sunt fotoni, a căror energie este legată de frecvența și lungimea de undă a radiației printr-o relație cunoscută.

E = h ·  =

,

unde E = E1 - E2, E1 este energia inițialei, iar E2 este energia stării finale a atomului sau moleculei între care are loc tranziția; h - constanta lui Planck; c este viteza luminii;  - frecvenţă;  - lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice.

Când un atom este excitat, electronii se deplasează de la nivelurile umplute exterioare la nivelurile superioare de energie neumplute.

Un atom nu poate rămâne într-o stare excitată mult timp. Se străduiește să dea excesul de energie primit și să revină la o stare neexcitată. După un timp foarte scurt (10-8 - 10-7 s), atomul revine spontan din starea excitată la starea fundamentală sau intermediară.

Când un electron trece de la un nivel superior la unul inferior, este eliberat un foton - o cuantum de radiație cu anumite  și .

Schematic, tranzițiile electronice în atomi între diferite stări, însoțite de emisia și absorbția de cuante de radiație electromagnetică, pot fi reprezentate sub forma unei diagrame (Fig. 2.2.1).

Liniile orizontale din Fig. 2.2.1. Sunt descrise nivelurile de energie ale diferitelor stări ale atomului. Nivelul E0 este nivelul stării fundamentale; E1, E2, E3 - niveluri ale stărilor excitate în ordinea creșterii energiei. Săgețile verticale corespund emisiei (săgeata în jos) sau absorbției () a unui foton. Este evident că

01 = 10, 13 = 31 etc.

Setul de fotoni emiși sau absorbiți în timpul oricărei tranziții electronice a unui atom, creând radiații cu o lungime de undă, se numește linie spectrală. Lungimea de undă a liniei spectrale poate fi determinată din relația  =

. Setul de linii spectrale legate de un anumit atom (moleculă) formează spectrul acelui atom (moleculă).

Spectrul cauzat de tranziția la E1  E2 se numește spectru de emisie, iar la E1  E2 - spectrul de absorbție. Tranzițiile și liniile spectrale corespunzătoare care trec de la sau către nivelul energetic principal sunt numite rezonante.

Pentru a excita o linie spectrală este necesară o anumită energie, numită potențial de excitație. Dacă distribuiți prea multă energie unui atom, poate avea loc o îndepărtare completă a unui electron, de exemplu. ionizarea atomului. Energia necesară pentru aceasta se numește potențial de ionizare. Liniile de rezonanță sunt cele mai strălucitoare și sunt caracterizate de cel mai scăzut potențial de excitație.

O modificare a energiei unei molecule este însoțită de o modificare atât a energiei vibrațiilor, cât și a rotațiilor, adică. molecula nu are tranziții pur electronice, ci doar tranzițiile electronic-vibrațional-rotaționale (EV) sunt posibile. Numărul de tranziții ECV posibile într-o moleculă este mult mai mare decât în ​​atomi, prin urmare, de regulă, spectrele moleculelor sunt mai complexe și constau dintr-un număr mai mare de linii spectrale în intervalul de lungimi de undă optice; O diagramă schematică a nivelurilor de energie ale unei molecule poate fi prezentată după cum urmează (Fig. 2.2.2).

Fig.2.2.2. Diagrama nivelurilor de energie moleculară

Atât pentru molecule, cât și pentru atomi, nu au loc toate tranzițiile imaginabile. Tranzițiile sunt reglementate de așa-numitele reguli de selecție: sunt permise tranziții în care numărul cuantic se modifică cu unu (de exemplu, Sp, pd etc.).

În scopuri analitice, pot fi utilizate atât spectrele de emisie, cât și cele de absorbție, deoarece sunt interdependente. De exemplu, lumina emisă de vaporii incandescenți de sodiu metalic trecuți printr-o prismă produce două linii galbene foarte apropiate cu lungimi de undă de 589,0 și 589,6 microni. Acestea sunt așa-numitele linii D - sodiu. Pe de altă parte, dacă treceți lumină albă policromatică (adică un set de fascicule de lumină cu toate lungimile de undă) prin vapori de sodiu și apoi o descompuneți în culorile sale componente într-o prismă de sticlă, atunci pe fundalul unui spectru continuu doi liniile negre vor fi detectate exact la locul D - linii. În consecință, vaporii de sodiu absoarbe radiația exact la lungimile de undă pe care le emit atunci când sunt excitați.

Acesta este un model general, astfel încât analiza spectrală poate fi efectuată folosind atât spectrul de emisie, cât și spectrul de absorbție. Prima metodă este convenabilă pentru analizarea materialelor în care spectrul de emisie al substanțelor constitutive, cum ar fi metalele și gazele, este ușor de excitat, iar a doua metodă este mai convenabilă pentru analizarea materialelor în care este dificil să excitați substanțele constitutive (de exemplu, soluții).

Spectrele de emisie sunt împărțite în continuu, cu dungi și linie (Fig. 2.2.3). Spectrele continue (sau continue) conțin toate lungimile de undă într-un anumit interval.

Ele sunt emise de obiecte fierbinți care sunt situate la distanțe atât de apropiate, încât radiația lor poate fi considerată independentă. Gazele și vaporii de metal au spectre de linii.

Liniile din spectrele atomilor nu sunt localizate aleatoriu, ci sunt combinate în grupuri numite serii. Distanțele dintre liniile din serie scad în mod natural pe măsură ce trecem de la unde mai lungi la cele mai scurte.

Balmeer, pentru cel mai simplu spectru de linii de hidrogen, a descoperit că frecvențele liniilor spectrale în serie situate în diferite regiuni ale radiației electromagnetice sunt într-o anumită relație regulată între ele, care, în general, pentru toate elementele era exprimată prin dependență.

sau în anumite cazuri

Analiza spectrală, o metodă de determinare calitativă și cantitativă a compoziției substanțelor, bazată pe studiul spectrelor de emisie, absorbție, reflexie și luminiscență a acestora. Distingeți între atomic și molecular analiza spectrală, ale căror sarcini sunt de a determina, respectiv, compoziția elementară și moleculară a unei substanțe. Emisia analiza spectrală realizat folosind spectrele de emisie ale atomilor, ionilor sau moleculelor excitate in diverse moduri, absorbtie analiza spectrală- în funcție de spectrele de absorbție a radiațiilor electromagnetice de către obiectele analizate (vezi. Spectroscopie de absorbție). În funcție de scopul studiului, proprietățile substanței analizate, specificul spectrelor utilizate, regiunea lungimii de undă și alți factori, cursul analizei, echipamentul, metodele de măsurare a spectrelor și caracteristicile metrologice ale rezultatelor variază foarte mult. Conform cu aceasta analiza spectrală sunt împărțite într-un număr de metode independente (a se vedea, în special, spectroscopie de reflexie, spectroscopie ultravioletă, ).

Adesea sub analiza spectralăînțelegeți doar analiza spectrală a emisiilor atomice (AESA) - o metodă de analiză elementară bazată pe studiul spectrelor de emisie ale atomilor și ionilor liberi în faza gazoasă în intervalul de lungimi de undă 150-800 nm (vezi).

O probă din substanța de testat este introdusă într-o sursă de radiații, unde se evaporă, disociază molecule și excită atomii (ionii) rezultați. Acestea din urmă emit radiații caracteristice, care intră în dispozitivul de înregistrare al instrumentului spectral.

În analiza spectrală calitativă, spectrele probelor sunt comparate cu spectrele elementelor cunoscute date în atlasele și tabelele de linii spectrale corespunzătoare și astfel se stabilește compoziția elementară a substanței analizate. În analiza cantitativă, cantitatea (concentrația) elementului dorit în substanța analizată este determinată de dependența mărimii semnalului analitic (densitatea de înnegrire sau densitatea optică a liniei analitice pe o placă fotografică; fluxul luminos către receptorul fotoelectric. ) a elementului dorit asupra conținutului său din probă. Această dependență este determinată într-un mod complex de mulți factori greu de controlat (compoziția în vrac a probelor, structura lor, dispersia, parametrii sursei de excitație a spectrelor, instabilitatea dispozitivelor de înregistrare, proprietățile plăcilor fotografice etc. ). Așadar, de regulă, pentru stabilirea acestuia, se folosește pentru calibrare un set de probe, care din punct de vedere al compoziției brute și al structurii sunt cât mai apropiate de substanța analizată și conțin cantități cunoscute ale elementelor care se determină. Astfel de mostre pot servi ca materiale metalice special preparate. aliaje, amestecuri de substanțe, soluții, incl. și produs de industrie. Pentru a elimina influența asupra rezultatelor analizei a diferențelor inevitabile în proprietățile probelor analizate și standard, se folosesc tehnici diferite; de exemplu, sunt comparate liniile spectrale ale elementului care se determină și așa-numitul element de referință, care este apropiat ca proprietăți chimice și fizice de elementul care se determină. Atunci când analizați materiale de același tip, puteți utiliza aceleași dependențe de calibrare, care sunt ajustate periodic folosind mostre de verificare.

Sensibilitatea și acuratețea analizei spectrale depind în principal de caracteristicile fizice ale surselor de radiații (excitația spectrală) - temperatură, concentrația de electroni, timpul de rezidență al atomilor în zona de excitație spectrală, stabilitatea modului sursei etc. Pentru a rezolva o problemă analitică specifică, este necesară selectarea unei surse de radiații adecvate, optimizarea caracteristicilor acesteia folosind diverse tehnici - utilizarea unei atmosfere inerte, aplicarea unui câmp magnetic, introducerea de substanțe speciale care stabilizează temperatura de descărcare, gradul de ionizare a atomilor, procesele de difuzie la nivel optim etc. Datorită varietății de factori care se influențează reciproc, sunt adesea folosite metode de planificare matematică a experimentelor.

În analiza solidelor, cel mai des sunt utilizate descărcări cu arc (DC și AC) și descărcări de scântei, alimentate de generatoare de stabilizare special concepute (adesea controlate electronic). Au fost create și generatoare universale, cu ajutorul cărora se produc descărcări de diferite tipuri cu parametri variabili care afectează eficiența proceselor de excitație a probelor studiate. O probă solidă conducătoare de electricitate poate servi direct ca electrod cu arc sau scânteie; Probele solide neconductoare și pulberile sunt plasate în adânciturile electrozilor de carbon de o configurație sau alta. În acest caz, atât evaporarea completă (pulverizarea) a substanței analizate, cât și evaporarea fracționată a acesteia din urmă și excitarea componentelor probei sunt efectuate în conformitate cu proprietățile lor fizice și chimice, ceea ce face posibilă creșterea sensibilității și preciziei analiză. Pentru a spori efectul fracționării prin evaporare, sunt folosiți pe scară largă aditivii substanței analizate a reactivilor, favorizând formarea de compuși foarte volatili (fluoruri, cloruri, sulfuri etc.) ai elementelor determinate la temperatură înaltă [(5-7) ·10 3 K] condiţii arc de cărbune. Pentru analiza probelor geologice sub formă de pulberi, este utilizată pe scară largă metoda de stropire sau suflare a probelor în zona de descărcare a arcului de carbon.

La analiza probelor metalurgice, împreună cu descărcări de scântei de diferite tipuri, se folosesc și surse de lumină cu descărcare strălucitoare (lămpi Grim, descărcare într-un catod gol). Au fost dezvoltate surse automate combinate în care lămpile cu descărcare luminoasă sau analizoare electrotermice sunt utilizate pentru evaporare sau pulverizare și, de exemplu, plasmatronii de înaltă frecvență sunt utilizați pentru a obține spectre. În acest caz, este posibil să se optimizeze condițiile de evaporare și excitare a elementelor care se determină.

La analiza probelor lichide (soluții), cele mai bune rezultate se obțin atunci când se utilizează plasmatroni de înaltă frecvență (HF) și ultra-înaltă (micunde) care funcționează într-o atmosferă inertă, precum și cu analiza fotometrică cu flacără (vezi). Pentru a stabiliza temperatura plasmei de descărcare la un nivel optim, se introduc aditivi din substanțe ușor ionizabile, precum metalele alcaline. O descărcare HF cu un cuplaj inductiv de configurație toroidală este utilizată în special cu succes (Fig. 1). Separă zonele de absorbție a energiei RF și de excitație spectrală, ceea ce permite creșteri dramatice ale eficienței excitației și raportului analitic semnal-zgomot util și, astfel, atingând limite de detecție foarte scăzute pentru o gamă largă de elemente. Probele sunt introduse în zona de excitație folosind pulverizatoare pneumatice sau (mai puțin frecvente) cu ultrasunete. Când se analizează folosind plasmatron HF și cu microunde și fotometrie cu flacără, abaterea standard relativă este de 0,01-0,03, ceea ce permite în unele cazuri utilizarea analizei spectrale în loc de metode de analiză chimică precise, dar mai laborioase și mai consumatoare de timp.

Pentru analiza amestecurilor de gaze sunt necesare instalatii speciale de vid; spectrele sunt excitate folosind RF și descărcări de microunde. Datorită dezvoltării cromatografiei gazoase, aceste metode sunt rareori utilizate.

Orez. 1. RF plasmatron: 1-lanterna cu gaze de esapament; zona de excitație cu 2 spectru; 3-zone de absorbție a energiei HF; 4-inductor de incalzire; 5-admisia gazului de racire (azot, argon); 6-aport de gaz formator de plasmă (argon); 7-intrare a probei atomizate (gaz purtător - argon).

La analiza substanțelor de înaltă puritate, când este necesară determinarea elementelor al căror conținut este mai mic de 10 -5%, precum și la analiza substanțelor toxice și radioactive, probele sunt pretratate; de exemplu, elementele care se determină sunt parțial sau complet separate de bază și transferate într-un volum mai mic de soluție sau adăugate la o masă mai mică de substanță mai convenabilă pentru analiză. Pentru a separa componentele probei, se utilizează distilarea fracționată a bazei (mai rar impurități), adsorbția, precipitarea, extracția, cromatografia și schimbul de ioni. Analiza spectrală folosind metodele chimice enumerate de concentrare a probei este de obicei numită analiză spectrală chimică. Operațiile suplimentare de separare și concentrare a elementelor care se determină cresc semnificativ complexitatea și durata analizei și înrăutățesc acuratețea acesteia (deviația standard relativă atinge valori de 0,2-0,3), dar reduce limitele de detecție de 10-100 de ori.

Un domeniu specific de analiză spectrală este analiza microspectrală (locală). În acest caz, un microvolum al substanței (adâncimea craterului de la zeci de microni la câțiva microni) este de obicei evaporat de un impuls laser care acționează pe o secțiune a suprafeței probei cu un diametru de câteva zeci de microni. Pentru a excita spectre, se folosește cel mai adesea o descărcare de scânteie pulsată sincronizată cu un impuls laser. Metoda este utilizată în studiul mineralelor și al metalurgiei.

Spectrele sunt înregistrate folosind spectrografe și spectrometre (cuantometre). Există multe tipuri de aceste dispozitive, care diferă prin deschidere, dispersie, rezoluție și interval spectral de lucru. O deschidere mare este necesară pentru înregistrarea radiațiilor slabe, dispersia mare este necesară pentru separarea liniilor spectrale cu lungimi de undă similare atunci când se analizează substanțe cu spectre multilinie, precum și pentru creșterea sensibilității analizei. Rețele de difracție (plate, concave, filetate, holografice, profilate) cu câteva sute până la câteva mii de linii pe milimetru sunt folosite ca dispozitive de dispersie a luminii mult mai rar, se folosesc prisme de cuarț sau de sticlă.

Spectrografele (Fig. 2), care înregistrează spectre pe plăci fotografice speciale sau (mai rar) pe filme fotografice, sunt de preferat pentru analiza spectrală calitativă, deoarece vă permite să studiați întregul spectru al probei simultan (în zona de lucru a dispozitivului); cu toate acestea, ele sunt utilizate și pentru analize cantitative datorită costului scăzut comparativ, disponibilității și ușurinței de întreținere. Întunecarea liniilor spectrale de pe plăcile fotografice se măsoară cu ajutorul microfotometrelor (microdensitometre). Utilizarea computerelor sau microprocesoarelor asigură modul automat de măsurare, procesarea rezultatelor acestora și obținerea rezultatelor analizei finale.

Fig.2. Design optic al spectrografului: fantă cu 1 intrare; oglinda cu 2 rotiri; 3-oglinda sferica; 4-rețeaua de difracție; Iluminare la scară cu 5 lumini; 6-scara; 7-placă foto.

Orez. 3. Diagrama cuantometrului (din 40 de canale de înregistrare, sunt prezentate doar trei): 1-policromator; 2-rețele de difracție; 3-sloturi de ieșire; 4-multiplicator foto-electron; 5 sloturi de intrare; 6-trepiede cu surse de lumina; 7 generatoare de scânteie și arc; 8-dispozitiv de înregistrare electronică; 9-complex computerizat de control.

Spectrometrele efectuează înregistrarea fotoelectrică a semnalelor analitice folosind tuburi fotomultiplicatoare (PMT) cu procesare automată a datelor pe un computer. Policromatoarele fotoelectrice multicanal (până la 40 de canale sau mai mult) în quantometre (Fig. 3) permit înregistrarea simultană a liniilor analitice a tuturor elementelor determinate furnizate de program. Când se utilizează monocromatoare de scanare, analiza cu mai multe elemente este asigurată de scanarea de mare viteză pe tot spectrul în conformitate cu un program dat.

Pentru determinarea elementelor (C, S, P, As etc.), ale căror linii analitice cele mai intense sunt situate în regiunea UV a spectrului la lungimi de undă mai mici de 180-200 nm, se folosesc spectrometre cu vid.

La utilizarea contoarelor cuantice, durata analizei este determinată în mare măsură de procedurile de pregătire a materiei prime pentru analiză. O reducere semnificativă a timpului de pregătire a probei se realizează prin automatizarea celor mai consumatoare etape - dizolvare, aducerea soluțiilor la o compoziție standard, oxidarea metalelor, măcinarea și amestecarea pulberilor, prelevarea de probe dintr-o masă dată. În multe cazuri, analiza spectrală multi-element se realizează în câteva minute, de exemplu: la analizarea soluțiilor folosind spectrometre fotoelectrice automate cu plasmatron RF sau la analizarea metalelor în timpul procesului de topire cu alimentarea automată a probelor la sursa de radiație.

Analiza spectrală

Analiza spectrală- un set de metode de determinare calitativă și cantitativă a compoziției unui obiect, bazate pe studiul spectrelor de interacțiune a materiei cu radiația, inclusiv spectrele radiațiilor electromagnetice, undelor acustice, distribuția maselor și energiilor particulelor elementare, etc.

În funcție de scopurile analizei și de tipurile de spectre, se disting mai multe metode de analiză spectrală. AtomicȘi molecular analizele spectrale fac posibilă determinarea compoziției elementare și respectiv moleculare a unei substanțe. În metodele de emisie și absorbție, compoziția este determinată din spectrele de emisie și absorbție.

Analiza spectrometrică de masă se realizează folosind spectrele de masă ale ionilor atomici sau moleculari și permite determinarea compoziției izotopice a unui obiect.

Poveste

Liniile întunecate în dungi spectrale au fost observate de mult timp, dar primul studiu serios al acestor linii a fost întreprins abia în 1814 de Joseph Fraunhofer. În onoarea lui, efectul a fost numit „linii Fraunhofer”. Fraunhofer a stabilit stabilitatea pozițiilor liniilor, a întocmit un tabel al acestora (a numărat 574 de linii în total) și i-a atribuit fiecăruia un cod alfanumeric. Nu mai puțin importantă a fost concluzia lui că liniile nu sunt asociate nici cu materialul optic, nici cu atmosfera pământului, ci sunt o caracteristică naturală a luminii solare. El a descoperit linii similare în sursele de lumină artificială, precum și în spectrele lui Venus și Sirius.

Curând a devenit clar că una dintre cele mai clare linii a apărut întotdeauna în prezența sodiului. În 1859, G. Kirchhoff și R. Bunsen, după o serie de experimente, au concluzionat: fiecare element chimic are propriul spectru de linii unic, iar din spectrul corpurilor cerești se pot trage concluzii despre compoziția substanței lor. Din acest moment, în știință a apărut analiza spectrală, o metodă puternică pentru determinarea de la distanță a compoziției chimice.

Pentru a testa metoda, în 1868 Academia de Științe din Paris a organizat o expediție în India, unde urma o eclipsă totală de soare. Acolo, oamenii de știință au descoperit: toate liniile întunecate în momentul eclipsei, când spectrul de emisie a înlocuit spectrul de absorbție al coroanei solare, au devenit, așa cum era prezis, luminoase pe un fundal întunecat.

Natura fiecăreia dintre linii și legătura lor cu elementele chimice au fost clarificate treptat. În 1860, Kirchhoff și Bunsen au descoperit cesiul folosind analiza spectrală, iar în 1861, rubidul. Iar heliul a fost descoperit pe Soare cu 27 de ani mai devreme decât pe Pământ (1868, respectiv 1895).

Principiul de funcționare

Atomii fiecărui element chimic au frecvențe de rezonanță strict definite, drept urmare la aceste frecvențe emit sau absorb lumină. Acest lucru duce la faptul că într-un spectroscop, liniile (întunecate sau luminoase) sunt vizibile pe spectre în anumite locuri caracteristice fiecărei substanțe. Intensitatea liniilor depinde de cantitatea de substanță și de starea acesteia. În analiza spectrală cantitativă, conținutul substanței studiate este determinat de intensitățile relative sau absolute ale liniilor sau benzilor din spectre.

Analiza spectrală optică se caracterizează prin ușurință relativă de implementare, absența pregătirii complexe a probei pentru analiză și o cantitate mică de substanță (10-30 mg) necesară pentru analiza unui număr mare de elemente.

Spectrele atomice (absorbție sau emisie) se obțin prin transferul substanței în stare de vapori prin încălzirea probei la 1000-10000 °C. O scânteie sau un arc de curent alternativ sunt folosite ca surse de excitație a atomilor în analiza emisiilor materialelor conductoare; în acest caz, proba este plasată în craterul unuia dintre electrozii de carbon. Flăcările sau plasmele diferitelor gaze sunt utilizate pe scară largă pentru analiza soluțiilor.

Aplicație

Recent, metodele de analiză spectrală de emisie și spectrometrie de masă, bazate pe excitația atomilor și ionizarea lor în plasmă de argon a descărcărilor de inducție, precum și într-o scânteie laser, au devenit cele mai răspândite.

Analiza spectrală este o metodă sensibilă și este utilizată pe scară largă în chimia analitică, astrofizică, metalurgie, inginerie mecanică, explorare geologică și alte ramuri ale științei.

În teoria procesării semnalului, analiza spectrală înseamnă și analiza distribuției de energie a unui semnal (de exemplu, audio) pe frecvențe, numere de unde etc.

Vezi si

Fundația Wikimedia. 2010.

• Balti
• Han de Nord

Vedeți ce este „Analiza spectrală” în alte dicționare:

ANALIZA SPECTRALĂ- fizică metode de calitate. .și cantitățile. determinarea compoziţiei în va, pe baza achiziţiei şi studiului spectrelor sale. Baza lui S. a. spectroscopie a atomilor și moleculelor, se clasifică în funcție de scopul analizei și tipurile de spectre. Atomic S. a. (ASA) definește... ... Enciclopedie fizică

Analiza spectrală- Măsurarea compoziției unei substanțe pe baza studiului spectrelor sale Sursa... Dicționar-carte de referință de termeni ai documentației normative și tehnice

Analiza spectrală- vezi Spectroscopie. Dicţionar geologic: în 2 volume. M.: Nedra. Editat de K. N. Paffengoltz et al. 1978. Analiza spectrală... Enciclopedie geologică

ANALIZA SPECTRALĂ- Introdus de Bunsen și Kirchhoff în 1860, studiul chimic al unei substanțe prin liniile sale colorate caracteristice, care se observă atunci când se privește (în timpul volatilizării) printr-o prismă. Explicația a 25.000 de cuvinte străine... Dicționar de cuvinte străine ale limbii ruse

ANALIZA SPECTRALĂ- ANALIZA SPECTRALĂ, una din metodele de analiză, în care se folosesc spectre (vezi Spectroscopie, spectroscop) date de cutare sau cutare corp atunci când sunt încălzite! sau la trecerea razelor prin soluții, dând un spectru continuu. Pentru… … Marea Enciclopedie Medicală

ANALIZA SPECTRALĂ- o metodă fizică de determinare calitativă și cantitativă a compoziției unei substanțe, realizată folosind spectrele sale optice. Există analize spectrale atomice și moleculare, emisie (pe baza spectrelor de emisie) și absorbție (pe baza spectrelor... ... Dicţionar enciclopedic mare

Analiza spectrală- o metodă matematico-statistică de analiză a seriilor temporale, în care seria este considerată ca o mulţime complexă, un amestec de oscilaţii armonice suprapuse una peste alta. În acest caz, atenția principală este acordată frecvenței... ... Dicționar economic și matematic

ANALIZA SPECTRALĂ- fizică metode de determinare calitativă și cantitativă a substanțelor chimice. compoziţia oricăror substanţe pe baza obţinerii şi studierii spectrului lor optic. În funcție de natura spectrelor utilizate, se disting următoarele tipuri: emisii (emisia C... Marea Enciclopedie Politehnică

Analiza spectrală- I Analiza spectrală este o metodă fizică de determinare calitativă și cantitativă a compoziției atomice și moleculare a unei substanțe, pe baza studiului spectrelor acesteia. Baza fizică a S. a. Spectroscopia atomilor și moleculelor, ea... ... Marea Enciclopedie Sovietică

Analiza spectrală- Conținutul articolului. I. Strălucirea trupurilor. Spectrul de emisie. Spectrul solar. linii Fraunhofer. Spectre prismatice și de difracție. Difuzarea culorii prismei și a grătarului. II. Spectroscoape. Spectroscop drept și cotat à vision direct.… … Dicţionar enciclopedic F.A. Brockhaus și I.A. Efron

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

postat pe http://www.allbest.ru

Ministerul Educației și Științei al Federației Ruse

Instituția de învățământ bugetară de stat federală

studii profesionale superioare

„Universitatea Tehnică a Petrolului de Stat Ufa”

Departamentul de Automatizare a Proceselor Tehnologice și a Producției

la disciplina „Monitorizarea mediului industrial”

pe tema „Metode spectrale de analiză”

EFECTUAT

Artă. gr. MAG01-13-01

Sharifislamov A.B.

VERIFICAT

Conf. univ. Prahova M.Yu.

• INTRODUCERE
• 1. METODA DE ANALIZĂ SPECTROFOTOMETRICĂ
• 1.1 Caracteristicile generale ale metodei
• 1.2 Cele mai importante legi ale absorbției luminii
• 1.3 Motivele abaterilor de la legea lui Beer în spectrofotometrie
• 1.4 Echipamente în spectrofotometrie
• 2. METODE DE ANALIZĂ LUMINESCENTĂ
• 3. SPETROSCOPIE IN INFRAROSCOIE
• 4. METODE DE ANALIZĂ A EMISIILOR ATOMICE
• 4.1 Caracteristicile generale ale metodei
• 4.2 Atomizoare în emisiile atomice
• 4.3 Echipamente în analiza emisiilor atomice
• LISTA SURSELOR UTILIZATE
• INTRODUCERE
• Metodele spectrale de analiză sunt metode bazate pe determinarea compoziției chimice și a structurii substanțelor din spectrul lor.
• Spectrul unei substanțe este radiația electromagnetică ordonată după lungimea de undă, emisă, absorbită, împrăștiată sau refractă de substanță. Metodele bazate pe obținerea și studierea spectrelor de emisie (emisie) a radiațiilor (energiei) electromagnetice se numesc emisie, absorbție (absorbție) - absorbție, împrăștiere - metode de împrăștiere, refracție - refracție.
• Spectrul unei substanțe se obține prin influențarea acesteia cu temperatura, fluxul de electroni, fluxul luminii (energie electromagnetică) cu o anumită lungime de undă (frecvența radiațiilor) și alte metode. La o anumită cantitate de energie de impact, o substanță este capabilă să intre într-o stare excitată. În acest caz, au loc procese care duc la apariția radiațiilor cu o anumită lungime de undă în spectru.
• Emisia, absorbția, împrăștierea sau refracția radiațiilor electromagnetice pot fi considerate ca un semnal analitic care poartă informații despre compoziția calitativă și cantitativă a unei substanțe sau a structurii acesteia. Frecvența (lungimea de undă) a radiației este determinată de compoziția substanței studiate, iar intensitatea radiației este proporțională cu numărul de particule care au cauzat apariția acesteia, adică. cantitatea unei substanțe sau componentă a unui amestec.
• Fiecare dintre metodele analitice, de obicei, nu utilizează întregul spectru al unei substanțe, acoperind intervalul de lungimi de undă de la raze X la unde radio, ci doar o anumită parte a acesteia. Metodele spectrale se disting de obicei prin gama de lungimi de undă spectrale care funcționează pentru o anumită metodă: ultraviolete (UV), raze X, infraroșu (IR), microunde etc.

1. METODA DE ANALIZĂ SPECTROFOTOMETRICĂ

1.1 Caracteristicile generale ale metodei

Spectrofotometria este de obicei numită metoda de analiză a absorbției moleculare optice (uneori acest concept include și metoda analizei absorbției atomice) . Obiectele măsurătorilor spectrofotometrice, de regulă, sunt soluții. Soluția de fotometru este plasată într-o cuvă - un vas cu margini plate și paralele transparente.

Metoda spectrofotometrică, fiind o metodă de absorbție, se bazează pe măsurarea absorbției luminii. Cel mai adesea este măsurată indirect prin compararea intensităților luminii de la o sursă externă incidentă pe eșantion și transmisă prin eșantion.

spectroscopie spectrofotometrică luminiscentă în infraroșu

1.2 Cele mai importante legi ale absorbției luminii

Legea Bouguer-Lambert-Beer . Lăsați un strat de mediu omogen cu grosimea d l conține o substanță care absoarbe lumina în concentrație Cu. Prin el este trecut un flux monocromatic de intensitate a luminii eu. Intensitatea luminii la iesirea din strat este eu + dI, și dl < 0 (поток ослабляется). Экспериментально было установлено, что доля поглощенного света - dI/ eu este direct proporțională cu grosimea stratului și concentrația substanței absorbante:

Integrând această expresie, obținem:

(1. 2 )

Intensitatea fluxului de lumină incident pe eșantion (adică la l= 0) notat cu Iо. Înlocuirea în (1.2) l= 0 și eu =eu 0 , constatăm că const = - ln eu 0 . Înlocuind această valoare în (1.2) și trecând de la logaritmii naturali la cei zecimali, obținem:

(Aici k = 2.303).

Mărimea I/I 0 se numește transmitanță și este desemnată T (0< T< 1). Magnitudinea

se numește densitate optică (valoarea T = 1 corespunde lui A = 0, iar T = 0 - A = + oo). Coeficient k numit coeficient de absorbtie .

Expresia (1.3) este legea de bază a absorbției luminii și se numește legea Bouguer-Lambert-Beer.

Dacă concentrația particulelor absorbante este exprimată în mol/l , iar grosimea stratului este în centimetri, atunci coeficientul de absorbție este notat cu litera e și se numește coeficientul de absorbție molar. Forma general acceptată de scriere a legii Bouguer-Lambert-Beer în spectrofotometrie arată ca.

A =elc (1.5)

1.3 Motivele abaterilor de la legea lui Beer în spectrofotometrie

De fapt, natura liniară a dependenței lui A de c este adesea încălcată, mai ales în regiunea concentrațiilor mari și/sau a densităților optice. Principalele motive pentru acest fenomen sunt: reconfortant.

Nemonocromaticitatea sursei și influența luminii împrăștiate.În practică, acesta este motivul principal. La derivarea legii lui Beer, s-a presupus că sursa de lumină era strict monocromatică. De fapt, spectrul de emisie al oricărei surse conține întotdeauna fotoni de lungimi de undă diferite.

Aceleași abateri de la legea lui Beer sunt cauzate de influența luminii împrăștiate - o parte a luminii de la sursă, din cauza imperfecțiunii designului optic al dispozitivului, căzând direct pe detector, ocolind proba care este fotometrată.

Aceste motive sunt clasificate drept instrumentale. Acestea duc la încălcări aparente ale legii lui Beer, deoarece premisele care stau la baza încheierii acesteia nu sunt îndeplinite.

Procese fizico-chimice. Să observăm că în expresia legii lui Beer, cantitatea c este echilibru concentrația particulelor absorbante o anumită varietate. Când se construiește dependența de concentrație a lui A de c, este reprezentată grafic abscisa general concentrația de dizolvat. O discrepanță între aceste valori poate duce la o încălcare a legii lui Beer. O abatere de la relația liniară va apărea atunci când profunzimea proceselor fizico-chimice cu substanța absorbantă este influențată de concentrația acesteia. Acestea sunt procese de asociere-dnsociere.

Influența indicelui de refracție. La interfața dintre două medii, o parte din lumina incidentă este întotdeauna reflectată. Această fracție depinde de indicii de refracție ai mediilor. Dacă indicele de refracție al unei soluții depinde de concentrația acesteia, atunci de aceasta depinde și fracția de lumină reflectată de cuvă și, în consecință, valoarea măsurată a densității optice. Acest motiv pentru încălcarea legii lui Beer este adevărat, deoarece este cauzat de acțiunea unor factori care nu au fost luați în considerare la derivarea sa. În practică, poate fi de obicei neglijat, deoarece în spectrofotometrie, de regulă, avem de-a face cu soluții diluate, al căror indice de refracție poate fi considerat independent de concentrație.

Toate motivele luate în considerare duc la încălcarea nu numai a legii lui Beer, ci și a legii aditivității.

1.4 Echipamente în spectrofotometrie

Diagrama schematică a dispozitivului pentru măsurarea densității optice a soluțiilor este prezentată mai jos

Surse.În spectroscopia de absorbție moleculară, lămpile incandescente sunt utilizate în principal ca sursă, emitând

Figura 1.1 Schema schematică a unui dispozitiv pentru măsurarea densității optice

radiații continue. În regiunea UV se folosesc lămpi cu hidrogen, deuteriu și xenon, care emit lumină cu lungimi de undă de cel puțin 350 nm. Acestea sunt tuburi de descărcare de gaz, care sunt cilindri de cuarț umpluți cu gaz la presiune înaltă. Ca urmare a descărcării electrice, moleculele de gaz sunt excitate și revin la starea lor inițială, emițând un spectru continuu. În zonele UV apropiate, vizibile și IR apropiate (350...3000 nm) sunt utilizate lămpi de tungsten, pini Nernst, lămpi cu halogen, emițători de nicrom, globatori și lasere.

Monocromatoare și filtre de lumină. În funcție de metoda de monocromatizare, se disting două clase de instrumente de absorbție: fotometre și spectrofotometre. Fotometrele folosesc filtre, spectrofotometrele folosesc prisme și rețele de difracție.

Cuvete. În spectroscopie de absorbție, nu se măsoară valorile absolute ale densității optice, ci diferența dintre densitățile optice ale soluției de testat și ale unei soluții de referință, a cărei densitate optică este considerată zero. Cuva cu soluția de testare se numește cea de lucru, iar cea cu soluția de referință se numește cuvă de referință. Cuvetele trebuie să fie transparente în regiunea spectrală în care se măsoară densitatea optică. Pentru lucrul în regiunea vizibilă, cuvele sunt realizate din sticlă, iar pentru lucrul cu ultraviolete - din cuarț.

Detectoare. Pentru a primi semnale în regiunile vizibile și UV, se folosesc de obicei fotocelule antimoniu-cesiu (180...650 nm) și oxigen-cesiu (600...1100 nm), precum și fotomultiplicatori.

La aceste componente principale ar trebui adăugat un sistem optic format din lentile, oglinzi și prisme. Acestea servesc la crearea unui fascicul de lumină paralel și pentru a-i schimba direcția. Diafragmele și pene optice sunt folosite pentru a egaliza fluxurile de lumină.

Fotoelectrocolorimetrele (PEC) au un design simplu și sunt potrivite pentru măsurarea concentrațiilor de substanțe în regiunile vizibile și aproape UV. Spectrofotometrele au un design mai complex; sunt folosite pentru a obține spectre de absorbție și pentru a măsura concentrațiile de substanțe. Părțile optice sunt realizate din cuarț, ceea ce face posibilă măsurarea absorbției luminii în regiunile vizibile și UV.

În funcție de metoda de măsurare, se disting instrumentele cu una și două fascicule, iar în funcție de metoda de înregistrare se disting instrumentele de înregistrare și cele neînregistrătoare.

În dispozitivele cu două fascicule, radiația de la sursă este împărțită în două fluxuri. Unul dintre ele trece prin soluția de testare, celălalt prin soluția de referință. Ambele căi optice trebuie să fie identice; În acest scop, dispozitivul este echipat cu două seturi identice de filtre, detectoare, oglinzi și lentile. În dispozitivele moderne, ei se străduiesc să înlocuiască o pereche de piese (de exemplu, detectoare) cu una. Pentru a înregistra un semnal, de regulă, se utilizează un circuit de compensare, bazat pe egalizarea fotocurenților prin reglarea fantei.

Spectrofotometrele cu fascicul dublu sunt construite pe același principiu ca și fotoelectrocolorimetrele, dar circuitele lor sunt mai complexe. Acestea includ SPECORD 250, SPEKOL 2000 etc.

În instrumentele cu un singur fascicul, radiația de la sursă trece numai printr-o cuvă de referință sau o cuvă cu soluția de testare pe rând (de exemplu, SPECORD 40, SF-46).

Spectrofotometrul cu un singur fascicul SF-46 (Figura 1.2) cu un sistem de microprocesor încorporat este proiectat pentru a măsura transmisia și densitatea optică a lichidelor și solidelor în intervalul 190...1100 nm. Elementul de dispersie pentru scanarea radiației de-a lungul lungimii de undă este o rețea de difracție.

1 - rețeaua de difracție; 2 și 6 - fante de ieșire și intrare; 3 - lentila; 4 - lentila fotosensibila; 5 - oglinda rotativa; 7 - filtru de lumină; 8 - sistem de oglinzi (sferice și plate); 9 și 9" - surse de radiații; 10 - oglindă rotativă plată; 11 și 12 - fotocelule fotosensibile

Figura 1.2 Diagrama bloc a spectrofotometrului SF-46.

Sursele de radiație continuă care asigură funcționarea dispozitivului într-o gamă largă de lungimi de undă sunt o lampă cu deuteriu (regiune 186...350 nm) și o lampă incandescentă (320...1100 nm). Fotocelulele antimoniu-cesiu (în intervalul 186...650 nm) și oxigen-cesiu (în intervalul 600...1100 nm) servesc ca detectoare de radiații (bolometre).

Caracteristicile tehnice ale dispozitivului:

* domeniul de măsurare a transmisiei 3...100%;

* eroare absolută de măsurare a transmitanței 1%;

* abaterea standard de transmisie, nu mai mult de 0,1%.

Pe lângă caracteristicile optice primare ale substanțelor studiate (transmițănță și densitate optică), designul spectrofotometrului SF-46 vă permite să determinați concentrația substanțelor analizate (folosind un sistem cu microprocesor), precum și rata de modificarea densității optice, care este importantă pentru studiul cineticii reacțiilor chimice în soluții.

2 . METODE DE ANALIZĂ LUMINESCENTĂ

Analiza luminiscenței este studiul strălucirii atomilor, moleculelor și altor particule care apar ca urmare a unei tranziții electronice la întoarcerea dintr-o stare excitată la o stare fundamentală.

Moleculele studiate sunt aduse într-o stare de excitație optică, iar apoi se înregistrează intensitatea luminiscenței rezultată din emisia de cuante de lumină de către moleculele excitate atunci când moleculele revin la starea fundamentală. Unele substanțe au proprietăți luminiscente; unele substanțe pot luminesce după tratament cu reactivi speciali. Excitarea atomilor poate fi efectuată ca urmare a reacțiilor chimice (chemiluminiscență), a fluxului de curent ( electroluminiscență), absorbția luminii (fluorescență) sub influența ultravioletelor (fotoluminiscență) , Raze X (luminescență cu raze X) și radioactive (radioluminiscență) razele.

Luminescența, una dintre cele mai sensibile metode de analiză, este utilizată pentru a determina urme de elemente. Spre deosebire de spectrofotometrie, unde se măsoară diferența dintre două semnale (I 0 și I), în luminescență se măsoară semnalul în sine, iar limita de detecție depinde de intensitatea sursei și de sensibilitatea detectorului. Metoda luminiscenței face posibilă determinarea a 10...10 - 4 μg?cm 3 dintr-o substanță.

Cu luminiscența rezonantă, cuantumul de radiație emis de particule este egal cu cuantumul absorbit (Figura 2.1, a). Luminescența rezonantă este caracteristică în principal atomilor, precum și celor mai simple molecule care se află în stare gazoasă la presiuni scăzute.

În acest caz, se distinge un tip special de luminescență rezonantă - fluorescența atomică, adică strălucirea atomilor în faza gazoasă, excitată de cuante de lumină.

O particulă excitată, atunci când interacționează cu particulele din jur, poate transfera o parte din energie către acestea din urmă sub formă de căldură și poate trece la nivelul 2 (Figura 2.1, b).

a) Rezonant b) Spontan c) Forțat

Figura 2.1 Tipuri de luminescență în funcție de mecanismul proceselor elementare

Cu luminiscența rezonantă și spontană, probabilitatea ca particulele să revină din starea excitată în starea fundamentală este determinată de proprietățile interne ale particulelor și nu depinde de temperatură. Luminescența care apare atunci când o particulă trece de la nivelul excitat 2 la nivelul solului este numită spontană. Nivelul de emisie 2 se află sub nivelul 3 și, prin urmare, cuantumul emis este mai mic decât cel absorbit. Luminescența spontană este caracteristică vaporilor și soluțiilor de molecule complexe

Într-un număr de cazuri, o particulă excitată, înainte de a trece la nivelul radiativ 2, se găsește la nivelul metastabil intermediar 4, tranziția directă de la care la nivelul solului este interzisă (Figura 2.1, c). Pentru a trece la nivelul radiativ 2, particulei trebuie să fie furnizate cu energie suplimentară sub formă de căldură sau lumină.

Luminescența corespunzătoare unui astfel de mecanism se numește stimulată și este evident că durata luminiscenței particulelor în acest caz va depinde în mod semnificativ de temperatură.

Luminescența stimulată este caracteristică moleculelor organice complexe situate la temperaturi scăzute sau plasate în medii vâscoase sau sticloase (gelatină, filme polimerice, bomboane de zahăr). În astfel de molecule, nivelul tripletului este de obicei metastabil.

Metodele bazate pe luminiscența intrinsecă a substanțelor sunt extrem de selective, spre deosebire de metodele de determinare a elementelor care folosesc reactivi organici. Selectivitatea analizei luminiscente poate fi mărită prin variarea condițiilor experimentale (lungimea de undă de excitare și înregistrarea semnalului, timpul de observare în metodele de fosforescență, parametrii chimici, de exemplu, pH-ul soluției, temperatura etc.).

Luminescența este utilizată pe scară largă pentru a determina substanțe organice (de exemplu, vitamine, medicamente, medicamente). În analiza anorganică, analiza luminiscenței este utilizată în principal pentru determinarea elementelor pământurilor rare, precum și a cantităților mici de impurități din materialele semiconductoare.

Industria internă produce Fluorat-02. Analizorul de lichid Fluorat-02-2M (denumit în continuare analizor) este conceput pentru a măsura concentrația de masă a impurităților anorganice și organice din apă, precum și în aer, sol, materiale tehnice și produse alimentare.

Domeniul de aplicare al analizorului este monitorizarea analitică a obiectelor din mediu; controlul sanitar si controlul proceselor tehnologice. Analizorul poate fi folosit ca detector în cromatografie.

Proiectarea și funcționarea analizorului. Principiul de funcționare al analizorului este ilustrat prin diagrame optice (Figura 2.2) și structurale (Figura 2.3).

Circuitul optic al analizorului (Figura 2.2) poate fi împărțit în trei canale: referință (excitație); înregistrarea luminiscenței și transmitanței (fotometrice).

În canalul de referință, radiația lămpii cu xenon 1, care funcționează în modul pulsat, trece printr-un sistem de oglinzi (două drepte 2, 4 și una sferică 3), un filtru de lumină 5, evidențiind regiunea spectrală de excitație, este reflectată. de pe placa de separare a fasciculului 6 și lovește receptorul de radiație 7 al canalului de referință.

1 - sursa de lumina; 2 - 4 - sistem de oglinzi cu canale de excitație; 5 - filtru de lumină al canalului de excitație; 6 - placa de separare a fasciculului canalului de referință; 7 - fotodetectorul canalului de referință; 8 - fotodetectorul canalului de înregistrare; 10, 12 - lentile de focalizare ale canalului de înregistrare; 11 - filtru de lumină al canalului de înregistrare; 13 - cuvă; 14 - placa de separare a fasciculului canalului de transmisie; 15 - oglinda de focalizare a canalului de transmisie; 16 - fotodetectorul canalului de transmisie

Figura 2.2 Diagrama optică a analizorului Fluorat-02-2M.

Semnalul electric de la acest receptor se numește semnal de comparație și este folosit pentru a ține cont de instabilitatea lămpii de la puls la puls, precum și pentru a declanșa un circuit electronic de impuls pentru înregistrarea și procesarea semnalelor.

În canalul de transmisie, radiația lămpii cu xenon 1 trece printr-un sistem de oglinzi 2 - 4, un filtru de lumină al canalului de excitație 5, o placă de separare a fasciculului 6, o celulă de cuarț cu o probă 13 și, reflectând din fascicul placa de separare 14 și oglinda 15, lovește receptorul de radiații 16 al canalului de transmisie. Semnalul electric de la acest receptor depinde de densitatea optică a probei și se numește semnal de transmisie.

Sub influența radiației de la o lampă cu xenon, luminiscența substanțelor dizolvate este excitată în cuva cu proba. În canalul de înregistrare, radiația componentelor luminiscente ale probei din cuva de cuarț 13 trece prin lentila de colectare 12, filtrul de lumină 11, care selectează regiunea spectrală de înregistrare, lentila de focalizare 10 și lovește receptorul de radiație al canalul de înregistrare a luminiscenței 8 (PMT). Semnalul electric al acestui receptor depinde de concentrația și compoziția substanțelor care se determină în soluție și se numește semnal de luminescență.

Schema bloc a analizorului (Figura 2.3) constă dintr-o sursă de alimentare de joasă tensiune, o sursă de lumină pulsată, o unitate de măsură care include fotodetectori ai canalelor de referință și de transmisie, o sursă de alimentare PMT, PMT în sine, un controler cu microprocesor și un panou de control cu ​​un afișaj grafic cu cristale lichide (denumit în continuare display LCD) și tastatură.

Sursa de alimentare de joasă tensiune convertește tensiunea de la rețea de curent alternativ într-o tensiune de curent continuu nestabilizată de 12, V (când este alimentată de la o sursă de rețea de 220 V CA; când este alimentată de la o sursă de 12 V CC, nu este necesară nicio conversie) și apoi într-o constantă. tensiune stabilizată (+5 V, + 15 V, -15 V), necesară pentru alimentarea sursei de alimentare PMT, unității de măsură și controlerului.

O sursă de lumină pulsată produce impulsuri de lumină cu o durată de 100 μs cu o frecvență determinată de un controler cu microprocesor (5 Hz sau 4 Hz).

Figura 2.3 Diagrama bloc a analizorului Fluorat-02-2M

Unitatea de masura contine receptori de radiatii care servesc la convertirea semnalelor luminoase in semnale electrice de transmisie si comparatie si inregistreaza semnalele provenite de la aceste receptoare si de la fotomultiplicator.

Sursa de alimentare PMT constă dintr-un generator de înaltă tensiune și un microprocesor de control. Generatorul produce o tensiune stabilizată de înaltă tensiune (1 kV) necesară pentru funcționarea fotomultiplicatorului. Microprocesorul controlează setarea tensiunii pe PMT (sensibilitatea PMT), funcționarea obturatorului electromecanic și înregistrează starea de suprasarcină a PMT.

Panoul de control este utilizat pentru a selecta modurile de funcționare ale dispozitivului, pentru a introduce și afișa valorile parametrilor inițiali și rezultatele măsurătorilor pe afișajul LCD.

Controlerul cu microprocesor asigură executarea comenzilor primite de la tastatură, stocarea valorilor inițiale a parametrilor în RAM, controlează funcționarea tuturor sistemelor, controlează lansarea unei surse de lumină pulsată, schimbul de date prin canalul RS-232 și transmiterea datelor și a mesajelor de eroare pe afișajul LCD.

Vederea generală a analizorului este prezentată în Figura 2.4.

1 - tastatură; 2 - display cu cristale lichide; 3 - steag care închide senzorul capacului; 4 - capacul compartimentului cuvetei; 5 - amortizor culisant; 6 - compartiment cuvetă

Figura 2.4 Vedere generală a analizorului Fluorat-02-2M

3 . SPETROSCOPIE IN INFRAROSCOIE

Dintre toate proprietățile compușilor organici, spectrul IR oferă cele mai multe informații despre structura compusului. Ca și spectrul de masă, spectrul infraroșu este caracteristic unui anumit compus organic și este utilizat pentru a stabili identitatea a doi compuși și a determina structura unui nou compus. Prin studierea spectrelor vibraționale, este posibilă stabilirea structurii spațiale a moleculelor și caracterizarea naturii legăturii (polaritate, polarizabilitate, multiplicitate).

Figura 3.1 Diagrama nivelurilor de energie ale unei molecule după stări electronice, vibraționale și rotaționale

Molecula vibrează constant: legăturile sale se întind (și se contractă) și, în plus, se îndoaie una față de cealaltă. Modificările vibrațiilor moleculare determină absorbția în regiunea infraroșie, care se află în afara regiunii roșii a spectrului vizibil. Pentru a indica poziția de absorbție în regiunea infraroșu, se folosește lungimea de undă sau, mai des, frecvența, care este exprimată nu în herți, ci în numere de undă.

Numărul de undă și energia sunt legate prin următoarele relații: 1 cm -1 = 2,858 cal/mol = 1,986 · 10 -16 erg/moleculă = 1,24 · 10 -4 eV/mol.

Numărul de undă? acesta este numărul de unde care se încadrează în 1 cm (aceasta este reciproca lungimii de undă în centimetri).

O moleculă în stările sale fundamentale și excitate are un anumit set de niveluri de energie discrete care sunt cuantificate. Cea mai mare diferență de energie între nivelul solului și nivelul excitat apare pentru stările electronice. Li se suprapun niveluri vibraționale, care sunt cauzate de diferite tipuri de vibrații în moleculă (întinderea-comprimarea legăturilor, schimbarea unghiurilor dintre ele). Există, de asemenea, niveluri și mai strâns distanțate, numite rotaționale. Toate aceste stări energetice ale moleculei pot fi reprezentate printr-o diagramă a nivelurilor de energie (Figura 3.2).

Tranzițiile cu energie scăzută între nivelurile vibraționale în cadrul aceluiași nivel electronic apar ca urmare a absorbției radiației în regiunea infraroșie și sunt studiate prin spectroscopie în infraroșu.

Spectrele de infraroșu sunt de obicei (dar nu întotdeauna) scrise ca transmisie procentuală față de numărul de undă (în cm-1). Un spectrofotometru modern cu fascicul dublu înregistrează de obicei radiația infraroșie absorbită ca procent din intensitatea luminii neabsorbite la o anumită lungime de undă. Absorbanța sau densitatea optică este legată de transmitanță prin ecuația:

A= -lg (I/I 0) (3,1)

Transmisia (T) = 100%, la A = 0 și este egală cu raportul I/I 0.

Diagrama schematică a oricărui dispozitiv spectral (Fig. 3.2) constă din trei părți principale: iluminare I, spectrală (optică) II și recepție și înregistrare III. Partea de iluminare include o sursă de lumină 1 și lentile sau oglinzi condensatoare 2, care luminează uniform fanta de intrare a dispozitivului 4. Probele de testare și de referință sunt instalate în cuva 3.

Partea spectrală (monocromatorul) conține o lentilă de intrare 5 și un sistem dispersiv 6, o lentilă de ieșire 7. Un dispozitiv de înregistrare 9 este instalat în planul focal 8.

Figura 3.2 Schema schematică a unui dispozitiv spectral

Surse de radiații. În regiunile vizibile și în infraroșu apropiat, se folosesc lămpi umplute cu gaz cu filament de tungsten, în regiunile unde scurte și unde medii - un pin Nerst, o tijă de silit (globar). Este realizat din carbură de siliciu, diametrul său este de 4-6 mm; tensiune de funcționare 35-50 V, curent 3-5 A, putere de radiație 150 - 250 W, temperatură 1200 °C.

Un monocromator este un dispozitiv optic care permite măsurători într-o regiune spectrală largă și într-un interval foarte îngust de lungimi de undă. Elementul principal al unui monocromator este un sistem de dispersie sub forma unei prisme sau a rețelei de difracție. Oglinzile servesc ca elemente de focalizare, deoarece este imposibil să se realizeze lentile care ar fi transparente în intervalul de frecvență în infraroșu utilizat în mod obișnuit.

Receptoarele de radiații sunt împărțite în termice și fotoelectrice.

În regiunile IR ale spectrului, fotocelulele, fotorezistoarele și bolometrele sunt folosite ca receptori. Principiul de funcționare al unui bolometru este de a modifica rezistența electrică a unui element sensibil la temperatură atunci când este încălzit. Radiația infraroșie incidentă pe bolometru induce un curent slab de joasă tensiune, care este amplificat de un amplificator de curent alternativ și apoi se înregistrează curba spectrală.

Înregistrarea spectrelor de absorbție. De obicei, spectrul este înregistrat folosind un înregistrator în coordonatele k= f(l) sau k= f(n). Pe baza metodei de înregistrare, spectrofotometrele sunt împărțite în fascicul simplu și fascicul dublu. Spectrofotometrele moderne cu fascicul dublu fac posibilă înregistrarea automată a spectrelor de absorbție în infraroșu ale substanțelor solide și lichide ca procent de transmisie în diferite intervale de frecvență. De exemplu, spectrofotometrul IKS-29 funcționează în intervalul de frecvență 4200-400 cm-1

Calibrarea se efectuează de obicei în funcție de spectre de referință (normale), numere de undă, maxime, ale căror benzi de absorbție sunt cunoscute cu precizie (de exemplu, polistiren). Spectrofotometrele sunt instrumente optice care permit măsurarea raportului dintre intensitatea a două fluxuri de lumină în funcție de lungimea de undă. Pentru a îmbunătăți calitatea înregistrării spectrului de absorbție al substanței studiate, este de dorit să se elimine semnalul de fond - absorbția de către gazele atmosferice, ferestrele cuvei în care se află proba etc. În acest scop, spectrofotometrul folosește un -circuit fascicul care permite compensarea semnalului de fundal (Figura 3.3).

Figura 3.3. Schema schematică a unui spectrofotometru cu fascicul dublu

Radiația IR de la sursa 1 este împărțită în două fascicule printr-un sistem de oglinzi 2. Fasciculul de lucru trece prin celula cu proba 3, iar fasciculul de referință prin compensatorul de fond 4. Folosind un modulator cu disc 5, fasciculele sunt direcționate alternativ la fanta de intrare a monocromatorului 6 și prin aceasta la rețeaua de difracție 7, care descompune radiația într-un spectru și o direcționează către fanta de ieșire 8. Imaginea monocromatică a fantei cade pe receptor - un bolometru de bismut 9. În absența probei studiate, intensitățile fasciculului de lucru și ale fasciculului de referință sunt aceleași, în receptor se scad semnalele de la aceste fascicule; Nu există semnal la ieșire. Când fasciculul de lucru este absorbit de substanța studiată, raze de intensități variate cad asupra receptorului, rezultând un semnal alternativ în receptor. După amplificarea şi conversia semnalului, stiloul înregistratorului 10 este pus în mişcare.

Când grătarul este rotit lent, fanta 8 decupează secvenţial secţiuni înguste ale spectrului şi o curbă de transmisie în funcţie de lungimea de undă este trasată pe banda de înregistrare.

4 . METODE DE ANALIZĂ A EMISIILOR ATOMICE

4.1 Caracteristicile generale ale metodei

Metoda spectroscopiei de emisie atomică măsoară emisia de radiații în domeniul optic de către atomi liberi excitați În emisia atomică, ca și în absorbția atomică, o sursă de temperatură înaltă - un atomizor - este utilizată pentru a transfera elementul care se determină în starea atomică. vapori. În același timp, aici este și o sursă de excitație a atomilor. Astfel, în metoda emisiei atomice, excitarea atomilor este de natură termică.

Atomii în stări excitate pot emite fotoni de multe frecvențe diferite, producând un spectru cu mai multe linii (vezi diagrama din dreapta). Tranzițiile care se termină în starea fundamentală constituie principalul (rezonant) ) o serie de linii (în consecință, în spectrul de absorbție liniile de rezonanță corespund tranzițiilor de la starea fundamentală). Numărul de linii observat în spectrele de emisie atomică este de obicei mult mai mare decât în ​​spectrele de absorbție. Într-adevăr, intensitatea liniei spectrale cu frecvența vy= |E,--Ej|/h este direct proporțională cu populația N) a nivelului energetic de la care are loc tranziția:

În condiții de echilibru termodinamic, populația stării fundamentale este mult mai mare decât cea a stărilor excitate, prin urmare, în spectrele de absorbție atomică se observă doar linii corespunzătoare tranzițiilor de la starea fundamentală; Pentru procesele de emisie, tranzițiile de la starea fundamentală sunt evident imposibile. Liniile de emisie corespund tranzițiilor de la diferite stări excitate (ale căror populații, de regulă, sunt proporționale între ele) la stări cu energii mai mici. Cu toate acestea, chiar și în spectre de emisie, seria principală are de obicei o intensitate mai mare decât seria laterală.

4.2 Atomizoare în emisiile atomice

Să luăm în considerare principalele tipuri de atomizoare utilizate în analiza emisiilor atomice, în ordinea crescătoare a temperaturilor lor de funcționare.

Flacără. Intervalul lor de temperatură de funcționare este de la 1500 la 3000°C. La temperaturi atât de scăzute, doar atomii de elemente alcaline și alcalino-pământoase (începând cu Ca) sunt excitați într-o măsură vizibilă. Pentru determinarea acestor elemente, metoda de fotometrie a emisiei atomice de flacără este una dintre cele mai bune. Soluția de analizat este pulverizată în mod continuu în flacără folosind o duză - la fel ca în analiza de absorbție atomică prin atomizare cu flacără.

Arc electric. Se folosește o descărcare cu arc atât de curent continuu, cât și de curent alternativ. Temperaturile de funcționare variază de la 3000 la 7000°C. Astfel de temperaturi sunt suficiente pentru a atomiza și a excita majoritatea elementelor, cu excepția unor nemetale foarte greu de excitat (de exemplu, halogenii). Proba solidă de analizat este folosită ca unul dintre electrozi (de exemplu, în analiza aliajelor) sau este depusă sub formă solidă pe unul dintre electrozii care formează arcul (de obicei se folosesc electrozi de grafit). Când se analizează soluțiile, acestea sunt mai întâi evaporate cu un colector de pulbere solidă (de obicei și grafit). Un dezavantaj serios al atomizatorului cu arc (în special DC) este stabilitatea sa scăzută.

Scânteie de înaltă tensiune. O trăsătură distinctivă a acestei surse de atomizare este lipsa echilibrului termodinamic între particulele găsite în ea (atomi, ioni, electroni liberi). Prin urmare, este destul de dificil să vorbim despre temperatura de descărcare a scânteii în general. Temperatura sa de atomizare „eficientă” atinge 10000-12000°C. O scânteie de înaltă tensiune este una dintre sursele de atomizare cu cea mai înaltă temperatură. Implementarea tehnică a analizei în arc și descărcări de scânteie este foarte asemănătoare. Foarte des, în instrumentele spectrale, același dispozitiv este folosit pentru a genera un arc și o scânteie.

Atomizatoare cu plasmă. Acestea sunt cele mai moderne tipuri de atomizatoare. Plasma de argon cuplată inductiv de înaltă frecvență (ICP) are cele mai bune caracteristici analitice. . Sursa ICP este o lanternă cu plasmă cu un design destul de complex, constând din trei tuburi concentrice de cuarț. Fluxurile de argon le sunt furnizate cu viteză mare. Cel mai interior este folosit pentru injectarea soluției de probă, cel intermediar este plasmă, iar cel exterior este folosit pentru răcirea plasmei; Debitul de argon în acest flux este deosebit de mare (10-20 l/min). Plasma de argon este inițiată („aprinsă”) printr-o descărcare de scânteie și apoi stabilizată de o bobină inductivă de înaltă frecvență care înconjoară partea superioară a pistolului; în acest caz, apare un curent inel puternic de ioni Ar +. Temperatura de funcționare a ICP este de aproximativ 10000°C.

4.3 Echipamente în analiza emisiilor atomice

Schema schematică a unui spectrometru de emisie atomică este prezentată în Figura 4.1.

Figura 4.1. Schema schematică a unui spectrometru de emisie atomică

Spre deosebire de schemele spectrometrelor de absorbție discutate anterior, aici, în mod natural, nu există o sursă externă de radiație. O altă caracteristică este posibila utilizare a unui policromator în loc de monocromator - un dispozitiv care oferă posibilitatea înregistrării simultane a mai multor linii spectrale și - în consecință - posibilitatea efectuării unei analize expres multi-element. Prismele sau rețelele de difracție sunt de obicei utilizate ca monocromatoare și policromatoare. Când le folosiți ca monocromatoare, există o fantă la ieșire care evidențiază o regiune spectrală îngustă; Policromatoarele nu au o astfel de fantă. Cu atomizarea cu flacără, datorită numărului mic de linii de emisie observate în aceste condiții, este posibil să se utilizeze și monocromatoare cu rezoluție joasă - filtre de lumină.

Ca detectoare, dacă se folosesc monocromatoare, se folosesc convertoare fotoelectrice de aceleași tipuri ca și în alte metode optice de analiză (fotocelule, fotomultiplicatoare, fotodiode). Când se utilizează policromatoare, se utilizează un set de astfel de detectoare, de obicei fotodiode („matrice de diode”). Cu toate acestea, în acest caz, sunt utilizate și alte metode de înregistrare. Cel mai comun dintre ele este cel fotografic (fotochimic), în care spectrul de emisie este fotografiat pe o placă fotografică. Intensitatea liniei spectrale in acest caz se gaseste prin masurarea innegririi (densitatii optice) a imaginii liniei pe o placa fotografica. Pentru analizele semicantitative de masă se folosesc și dispozitive cu indicație vizuală (oțeeloscoape).

Să luăm în considerare schema schematică a unui fotometru cu flacără. Un fotometru cu flacără de emisie este format din trei componente principale: un pulverizator și arzător, un filtru de lumină sau monocromator și un dispozitiv de măsurare; Schema schematică a dispozitivului este prezentată în Figura 4.2.

Soluția analizată 1 este transformată în aerosol cu ​​ajutorul unui pulverizator 2 (alimentat cu aer comprimat sau oxigen) și se introduce în flacără 3 un amestec inflamabil de aer sau oxigen cu hidrogen (uneori cu ceva hidrocarbură: acetilenă, propan, butan). Precizia și sensibilitatea determinărilor fotometrice ale flăcării depind în mare măsură de gradul de atomizare a soluției și de funcționarea arzătorului. Un filtru de lumină (sau monocromator) 4 selectează din spectru o linie spectrală specifică utilizată pentru măsurare. Fotocelula 5 (sau fotomultiplicatorul), precum și galvanometrul 6, sunt folosite pentru a măsura intensitatea liniei spectrale.

1 - solutie analizata; 2 - pulverizator; 3 - flacara arzatorului; 4 - filtru de lumină (sau monocromator); 5 - fotocelula; 6 - galvanometru

Figura 4.2. Schema unui fotometru cu flacără de emisie.

Temperatura flăcării este de mare importanță în această metodă. La arderea amestecurilor de aer cu propan sau butan, se atinge o temperatură de 1700...1900 °C și sunt excitați numai atomii de metale alcaline. Pentru determinarea metalelor alcalino-pământoase, este necesară o flacără dintr-un amestec de aer și acetilenă, dând o temperatură de aproximativ 2300 °C. Flacăra unui amestec de oxigen cu hidrogen (2500 °C) sau cu acetilenă (3150 °C) este considerată universală.

În practica de laborator se folosesc atât fotometre cu flacără cu filtre de lumină, cât și spectrofotometre pentru fotometria cu flacără.

Fotometrele de flacără cu filtre de lumină sunt utilizate în principal pentru determinarea potasiului, sodiului, calciului și uneori a litiului în soluții, de exemplu. pentru analiza obiectelor de compoziţie simplă. Ele lucrează de obicei pe o flacără la temperatură scăzută de amestecuri de gaze inflamabile cu aer; pulverizatoarele lor sunt echipate cu camere speciale pentru a reține picăturile mari de aerosoli care nu se evaporă în flacără. În țara noastră se produc fotometre cu flacără ale mărcilor FPF-58, FPL-1, PFM, FLAFO-4.

Spectrofotometrele pentru fotometria cu flacără sunt mai sensibile și asigură o monocromatizare ridicată a radiațiilor. Sunt echipate cu arzatoare speciale pentru arderea amestecurilor de gaze inflamabile cu oxigen, iar gazele sunt amestecate la iesirea duzei, iar solutia analizata este injectata direct in flacara. Un exemplu de spectrofotometru pentru fotometria cu flacără este dispozitivul PAZH-1.

LISTA SURSELOR UTILIZATE

1. Garmash, A.V. Introducere în metodele spectroscopice de analiză. - Moscova, 1995.

2. Yakunina, I.V. Metode și dispozitive pentru controlul mediului. Monitorizarea mediului./ I.V. Yakunina, N.S. Popov - Tambov: TSTU, 2009.

3. Sotnikova, E.V. Metode analitice de monitorizare a mediului./E.V. Sotnikova, N.Yu. Kalpina, E.V. Ryakhovskaya, B.V. Smirin - Moscova: MSTU "Mami", 2011.

4. Saksonov, M.N. Monitorizarea mediului în industria petrolului și gazelor. Metode fizico-chimice și biologice./M.N. Saksonov, A.D. Abalakov, L.V. Danko, O.A. Barkhatova, A.E. Balayan, D.I. Stom - Irkutsk: Universitatea de Stat din Irkutsk, 2005.

5. Fedorova, E.I. Metode instrumentale pentru analiza compușilor organici [Resursa electronică]: manual: self. manual electron. ed. / E. I. Fedorova; Sykt. pădure int. - Electron. Dan. - Syktyvkar: SLI, 2013. - Mod de acces: http://lib.sfi.komi.com.

Postat pe Allbest.ru

...

Documente similare

Scopurile si obiectivele controlului analitic la intreprindere. Activități ale laboratorului fabricii pentru controlul calității. Caracteristicile metodelor fizico-chimice de analiză. Parametrii de bază în metodele cromatografice și titrimetrice de analiză.

rezumat, adăugat 28.12.2009


Scopul stațiilor automate de condensare districtuale. Metode de curățare a condensului pentru reducerea conținutului de produse petroliere. Desiliconizarea apei din statiile de tratare a apei din centralele termice industriale de inalta presiune. Esența metodei colorimetrice de analiză a soluției.

test, adaugat 17.01.2010


Conceptul de cromatografie ca separarea amestecurilor complexe în componentele lor constitutive între două faze nemiscibile. Clasificarea metodelor cromatografice de analiză, studiul produselor alimentare folosindu-le. Cromatografia de penetrare și afinitate.

lucrare curs, adăugată 06.03.2015


Descrierea metodei microscopiei cu forță atomică, avantajele și dezavantajele acesteia. Structura schematică a unui microscop cu forță atomică. Caracteristicile procesului de scanare. Aplicarea microscopiei cu forță atomică pentru determinarea morfologiei peliculelor subțiri.

rezumat, adăugat 12.09.2015


Metoda analizei spectrale de absorbție atomică și avantajele acesteia. Controlul proceselor tehnologice. Evaporarea termică a reziduurilor de soluție uscată. Suprapunerea radiației atomizorului pe radiația sursei de lumină. Coeficientul de difuzie al atomilor din gaze.

raport, adaugat 11.10.2008


Conceptul de analiză termodinamică-topologică, esența și caracteristicile sale, domeniile de utilizare și eficacitatea. Principiul și procedura de realizare a analizei termodinamice-topologice, etapele și caracteristicile acesteia. Studiul evoluției biazeotropiei ternare.

rezumat, adăugat 15.02.2009


Principiul metodei polarimetrice. Compoziție, proprietăți chimice și fizice, efecte toxicologice ale zahărului. Caracteristicile metodelor de analiză a substanțelor: refractometrică, antronică, gazcromatografică. Estimarea erorii de măsurare.

lucrare curs, adăugată 29.02.2016


Principala abordare a studiului obiectelor complexe este analiza sistemului. Implementarea practică a analizei sistemelor - analiza sistemelor structurale, principiile și metodele acesteia. Originile modelării structurale. Clase de modele de analiză a sistemelor structurale.

rezumat, adăugat 18.02.2009


Materiale refractare și proprietățile lor, clasificarea și condițiile de utilizare eficientă. Metode fizico-chimice moderne de analiză. Reactivi chimici, echipamente principale si auxiliare. Metode standard de analiză a materialelor refractare cu silice.

teză, adăugată 21.01.2016


Bazele teoretice ale controlului analitic al calității produselor. Automatizarea controlului analitic al produselor de producție chimico-tehnologice. Metode optice de cercetare chimică. Metode electrochimice de analiză. Metoda cromatografică.