Міністерство освіти і науки України
Національний університет імені Івана Франка
Кафедра природничий коледж
Реферат на тему:
“Спектральні методи аналізу”
Виконав:
Студент групи ГЛК-31
Садовий Олег
Львів-2020
Спектральні методи аналізу
Сучасна наука і техніка немислимі без знання хімічного складу речовин, які є об'єктами діяльності людини. Мінерали, знайдені геологами, і нові речовини і матеріали, отримані хіміками, насамперед характеризуються за хімічним складом. Для правильного ведення технологічних процесів в самих різних галузях народного господарства необхідно обізнаність хімічного складу вихідної сировини, проміжних і готових продуктів.
Бурхливий розвиток техніки пред'являє всі нові вимоги до методів аналізу речовини. Ще порівняно недавно можна було обмежитися визначенням домішок, присутніх в концентрації до 10-2-10-3%. Поява і швидкий розвиток в післявоєнні роки промисловості атомних матеріалів, а також виробництва твердих, жароміцних та інших спеціальних сталей і сплавів зажадало підвищення чутливості аналітичних методів до 10-4- 10-6%, так як було встановлено, що присутність домішок навіть у таких малих концентраціях істотно впливає на властивості матеріалів і хід деяких технологічних процесів.
Останнім часом у зв'язку з розвитком промисловості напівпровідникових матеріалів до чистоти речовин, а отже, і до чутливості аналітичних методів пред'являються ще більш високі вимоги - необхідно визначати домішки, зміст яких абсолютно мізерно (10-7-10-9%). Звичайно, подібна надвисока чистота речовин потрібна тільки в окремих випадках, але в тій чи іншій мірі підвищення чутливості аналізу стало необхідною вимогою майже у всіх галузях науки і техніки.
При виробництві полімерних матеріалів концентрація домішок у вихідних речовинах (мономерах) була дуже великий - часто десяті частки і навіть ціле число відсотків. Нещодавно виявлено, що якість багатьох готових полімерів дуже сильно залежить від їх чистоти. Тому в даний час вихідні неграничні з'єднання і деякі інші мономери перевіряють на присутність домішок, зміст яких не повинен перевищувати 10-2- 10-4%. У геології все ширше використовуються гідрохімічні методи розвідки рудних родовищ. Для їх успішного застосування необхідно визначати солі металів у природних водах при концентрації 10-4- 10-8 г / л і навіть менше.
Підвищені вимоги пред'являються в даний час не тільки до чутливості аналізу. Впровадження у виробництво нових технологічних процесів зазвичай тісно пов'язане з розробкою методів, що забезпечують досить високу швидкість та точність аналізу. Поряд з цим від аналітичних методів потрібна висока продуктивність і можливість автоматизації окремих операцій або всього аналізу. Хімічні методи аналізу далеко не завжди відповідають вимогам сучасної науки і техніки. Тому все ширше впроваджуються в практику физикохимические та фізичні методи визначення хімічного складу, які мають низку цінних характеристик. Серед цих методів одне з головних місць по праву займає спектральний аналіз.
Завдяки високій вибірковості спектрального аналізу можна за допомогою однієї і тієї ж принципової схеми, на одних і тих же приладах аналізувати самі різні речовини, вибираючи в кожному окремому випадку тільки найбільш сприятливі умови для отримання максимальної швидкості, чутливості і точності аналізу. Тому незважаючи на величезне число аналітичних методик, призначених для аналізу різних об'єктів, всі вони засновані на загальній принциповій схемі.
В основі спектрального аналізу лежить вивчення будови світла, що випромінюється або поглинається аналізованим речовиною. Методи спектрального аналізу діляться на емісійні (емісія - випускання) і абсорбційні (абсорбція - поглинання).
Розглянемо схему емісійного спектрального аналізу (рис.1а). Для того щоб речовина випромінювало світло, необхідно передати йому додаткову енергію. Атоми і молекули аналізованого речовини переходять тоді в збуджений стан. Повертаючись в звичайний стан, вони віддають надлишкову енергію у вигляді світла. Характер світла, випромінюваного твердими тілами або рідинами, зазвичай дуже мало залежить від хімічного складу і тому його не можна використовувати для аналізу. Зовсім інший характер має випромінювання газів. Воно визначається складом аналізованої проби. У зв'язку з цим при емісійному аналізі перед порушенням речовини його необхідно випарувати.
Рис.1. Принципова схема спектрального аналізу:
а - емісійного: б - абсорбційного: 1 - джерело світла; 2 - освітлювальний конденсор; 3 - кювету для аналізованої проби; 4 - спектральний апарат; 5 - реєстрація спектра; 6 - визначення довжини хвилі спектральних ліній або смуг; 7 - якісний аналіз проби за допомогою таблиць і атласів; 8 - визначення інтенсивності ліній або смуг; 9 - кількісний аналіз проби за градуювальним графіком; λ - довжина хвилі; J - інтенсивність смуг
Випаровування і збудження здійснюють у джерелах світла, в які вводиться аналізована проба. В якості джерел світла використовують високотемпературне полум'я або різні типи електричного розряду в газах: дугу, іскру та ін. Для отримання електричного розряду з потрібними характеристиками служать генератори.
Висока температура (тисячі і десятки тисяч градусів) в джерелах світла призводить до розпаду молекул більшості речовин на атоми. Тому емісійні методи служать, як правило, для атомного аналізу і тільки дуже рідко для молекулярного.
Випромінювання джерела світла складається з випромінювання атомів усіх елементів, присутніх в пробі. Для аналізу необхідно виділити випромінювання кожного елемента. Це здійснюють за допомогою оптичних приладів - спектральних апаратів, в яких світлові промені з різними довжинами хвиль відокремлюються в просторі один від одного. Випромінювання джерела світла, розкладене по довжинах хвиль, називається спектром.
Спектральні апарати влаштовані таким чином, що світлові коливання кожної довжини хвилі, що потрапляють в прилад, утворюють одну лінію. Скільки різних хвиль присутнє у випромінюванні джерела світла, стільки ліній виходить в спектральному апараті.
Атомні спектри елементів складаються з окремих ліній, так як у випромінюванні атомів є тільки деякі певні хвилі (рис.2а). У випромінюванні розпечених твердих або рідких тіл присутній світло будь-якої довжини хвилі. Окремі лінії в спектральному апараті зливаються один з одним. Таке випромінювання має суцільний спектр (рис.2е). На відміну від лінійного спектра атомів, молекулярні спектри випускання речовин, які не розпалися при високій температурі, є смугастими (рис.26). Кожна смуга утворена великим числом близько розташованих ліній.
Світло, розкладений в спектральному апараті в спектр, можна розглядати візуально або зареєструвати за допомогою фотографії або фотоелектричних приладів. Конструкція спектрального апарату залежить від методу реєстрації спектра. Для візуального спостереження спектрів спектрів здійснюють за допомогою спектрографів. Спектральні апарати - монохроматори - дозволяють виділяти світло однієї довжини хвилі, після чого він може бути зареєстрований за допомогою фотоелемента або іншого електричного приймача світла.
Рис. 2. Типи спектрів:
а - лінійчатий; 6 - смугастий; видно окремі лінії, складові смугу; в - суцільний. Найбільш темним місцям в спектрі відповідає найбільша інтенсивність світла (негативне зображення); λ - довжина хвилі
При якісному аналізі необхідно визначити, до випромінювання якого елементу належить та чи інша лінія в спектрі аналізованої проби. Для цього потрібно знайти довжину хвилі лінії по її положенню в спектрі, а потім за допомогою таблиць визначити її приналежність того чи іншого елементу. Для розгляду збільшеного зображення спектра на фотографічній пластинці і визначення довжини хвилі служать вимірювальні мікроскопи, спектропроекторів та інші допоміжні прилади.
Інтенсивність спектральних ліній зростає із збільшенням концентрації елемента в пробі. Тому для проведення кількісного аналізу потрібно знайти інтенсивність однієї спектральної лінії визначається елемента. Інтенсивність лінії вимірюють або за її почорніння на фотографії спектра (спектрограмі) або відразу по величині світлового потоку, що виходить з спектрального апарату. Величину почорніння ліній на спектрограмі визначають на мікрофотометрів.
Зв'язок між інтенсивністю лінії в спектрі і концентрацією елемента в аналізованій пробі встановлюють за допомогою еталонів - зразків, подібних аналізованих, але з точно відомим хімічним складом. Цю зв'язок зазвичай висловлюють як градуювальних графіків.
Схема проведення спектрального аналізу абсорбції (рис.2б) відрізняється від вже розглянутої схеми тільки в своїй початковій частині. Джерелом світла служить нагріте тверде тіло або інше джерело суцільного випромінювання, тобто випромінювання з будь-якою довжиною хвилі. Анализируемую пробу поміщають між джерелом світла і спектральним апаратом. Спектр речовини становлять тс довжини хвиль, інтенсивність яких зменшилася при проходженні суцільного світла через це речовина (рис.3). Спектр поглинання речовин зручно зображувати графічно, відкладаючи по осі абсцис довжину хвилі, а по осі ординат - величину поглинання світла речовиною.
Рис. 3. Зображення спектрів поглинання:
а - фотографічне; б - графічне; I - спектр джерела суцільного світла; II - спектр того ж випромінювання після проходження через аналізовану пробу
Спектри поглинання отримують за допомогою спектральних апаратів - спектрофотометрів, до складу яких входять джерело суцільного світла, монохроматор і реєструючий пристрій.
В іншому схеми проведення абсорбційного і емісійного аналізу збігаються.
Спектральний аналіз за спектрами випускання або поглинання включає наступні операції.
1. Отримання спектра аналізованої проби.
2. Визначення довжини хвилі спектральних ліній або смуг. Після цього за допомогою таблиць або атласів встановлюють їх приналежність до певних елементів або сполук, тобто знаходять якісний склад проби.
3. Вимірювання інтенсивності спектральних ліній або смуг, що належать певним елементам або з'єднанням, що дозволяє знайти їх концентрацію в аналізованій пробі по попередньо побудованим за допомогою еталонів градуювального графіка, тобто знайти кількісний склад проби.
Весь процес виконання спектрального аналізу полягає, як ми бачили, з декількох етапів. Ці етапи можна вивчати послідовно, незалежно один від одного, а потім розглянути їх взаємозв'язок.
За допомогою спектрального аналізу можна визначати як атомний (елементарний), так і молекулярний склад речовини. Спектральний аналіз дозволяє проводити якісне відкриття окремих компонентів аналізованої проби і кількісне визначення їх концентрацій.
Речовини з дуже близькими хімічними властивостями, які важко або навіть неможливо аналізувати хімічними методами, легко визначаються спектрально. Наприклад, відносно просто виконується аналіз суміші рідкоземельних елементів або суміші інертних газів. За допомогою спектрального аналізу можна визначати ізомерні органічні сполуки з дуже близькими хімічними властивостями.
Методи атомного спектрального аналізу, якісного і кількісного, в даний час розроблені значно краще, ніж молекулярного, і мають більш широке практичне застосування. Атомний спектральний аналіз використовують для аналізу найрізноманітніших об'єктів. Область його застосування дуже широка: чорна та кольорова металургія, машинобудування, геологія, хімія, біологія, астрофізика і багато інших галузей науки та промисловості.
Слід помститися, що широта і обсяг практичних застосувань молекулярного спектрального аналізу, особливо останнім часом, швидко і безперервно зростають. Це пов'язано насамперед з розробкою і випуском спектрально-аналітичної апаратури для цього методу.
Область використання молекулярного спектрального аналізу охоплює головним чином органічні речовини, хоча можна з успіхом аналізувати і неорганічні сполуки. Молекулярний спектральний аналіз впроваджується головним чином в хімічній, нафтопереробній та хіміко-фармацевтичної промисловості.
Чутливість спектрального аналізу дуже висока. Мінімальна концентрація визначається речовини, яка може бути виявлена і виміряна спектральними методами, коливається в широких межах залежно від властивостей цієї речовини і складу аналізованої проби. Прямим аналізом при визначенні більшості металів і ряду інших елементів порівняно легко досягається чутливість 10-3-а для деяких речовин навіть 10-5-1-6%. І тільки в особливо несприятливих випадках чутливість зменшується до 10-1-10-2%. Застосування попереднього відділення домішок від основи проби дозволяє сильно (часто в тисячі разів) підвищити чутливість аналізу. Завдяки високій чутливості атомний спектральний аналіз широко застосовується для аналізу чистих і особливо чистих металів, в геохімії та грунтознавстві для визначення микроконцентраций різних елементів, у тому числі рідкісних і розсіяних, у промисловості атомних і напівпровідникових матеріалів.
Чутливість молекулярного спектрального аналізу для різних речовин змінюється в ще більш широких межах. У ряді випадків ледве вдається визначати речовини, вміст яких в аналізованому зразку становить відсотки і десяті частки відсотка, але можна навести приклади і дуже високої чутливості молекулярного аналізу 10-7-10-8%. Точність атомного спектрального аналізу залежить від складу і структури аналізованих об'єктів. При аналізі зразків, близьких за своєю структурою і складом, можна легко досягти високої точності. Помилка в цьому випадку не перевищує ± 1-3% по відношенню до обумовленою величиною. Тому, наприклад, точним є серійний спектральний аналіз металів і сплавів. У металургії та машинобудуванні спектральний аналіз став в даний час основним аналітичним методом.
Значно нижче точність аналізу речовин, склад і структура яких сильно змінюється від проби до проби, але останнім часом і в цій області становище помітно покращився. Став можливим кількісний спектральний аналіз руд, мінералів, гірських порід, шлаків і тому подібних об'єктів. Хоча повністю завдання ще не вирішена, кількісний аналіз неметалевих проб зараз широко застосовується в багатьох галузях промисловості - в металургії, геології, при виробництві вогнетривів, стекол і інших видів продукції.
Відносна помилка визначення при атомному спектральному аналізі мало залежить від концентрації. Вона залишається майже постійною як при аналізі малих домішок і добавок, так і при визначенні основних компонентів зразка. Точність хімічних методів аналізу істотно знижується при переході до визначення домішок. Тому атомний спектральний аналіз точніше хімічного в області малих концентрацій. При середніх концентраціях (0,1-1%) визначених речовин точність обох методів приблизно однакова, але в області високих концентрацій точність хімічного аналізу, як правило, вище. Молекулярний спектральний аналіз дає зазвичай більш високу точність визначення, ніж атомний, і не поступається в точності хімічним навіть при великих концентраціях.
Швидкість спектрального аналізу значно перевищує швидкість виконання аналізу іншими методами. Це пояснюється тим, що при спектральному аналізі не вимагається попереднього розділення проби на окремі компоненти. Крім того, сам аналіз виконується дуже швидко. Так, при застосуванні сучасних методів спектрального аналізу точне кількісне визначення декількох компонентів в складному зразку займає всього кілька хвилин з моменту доставки проби в лабораторію до отримання результатів аналізу. Тривалість аналізу, звичайно, зростає, коли для підвищення точності або чутливості потрібна попередня обробка проби.
З високою швидкістю проведення спектрального аналізу тісно пов'язана його велика продуктивність, що дуже істотно при масових аналізах. Завдяки великій продуктивності і малому витраті реактивів та інших матеріалів вартість одного аналізу при застосуванні спектральних методів зазвичай мала, незважаючи на значні початкові витрати на придбання спектральноаналітіческого обладнання. Більше того, як правило, чим вище первинні витрати і складніше попередня підготовка аналітичної методики, тим швидше і дешевше виконання масових аналізів.
За своєю суттю спектральний аналіз є приладовим методом. При використанні сучасної апаратури число операцій, що вимагають втручання спектроскопіста, невелика. Встановлено, що і ці залишилися операції можуть бути автоматизовані. Таким чином, спектральний аналіз дозволяє підійти до повної автоматизації визначення хімічного складу речовини.
Спектральний аналіз є універсальним. З його допомогою можна визначати практично будь-які елементи і з'єднання в найрізноманітніших твердих, рідких і газоподібних аналітичних об'єктах.
Для спектрального аналізу характерна висока вибірковість. Це означає, що майже кожна речовина може бути якісно і кількісно визначено в складній пробі, без її поділу.
Використані джерела:
1.https://stud.com.ua/28693/bzhd/metodi_spektralnogo_analizu_emisiyniy_absorbtsiyniy_metodi
2.Дослідження у невидимих променях спектра // Юридична енциклопедія : [у 6 т.] / ред. кол. Ю. С. Шемшученко (відп. ред.) [та ін.] — К. : Українська енциклопедія ім. М. П. Бажана, 1998. — Т. 2 : Д — Й. — 744 с. — ISBN 966-7492-00-8.