ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АТОМНЫХ СПЕКТРОВ ДЛЯ АНАЛИЗА СОСТАВА ВЕЩЕСТВА

2.1. Цель и содержание работы

Ознакомление с методикой определения состава вещества по их атомным спектрам испускания, возбуждаемых в дуговом разряде. Получение навыков проведения качественного анализа. Освоение съемки спектров порошкообразных веществ и отождествление спектрограмм. Идентификация спектральных линий на спектропроекторе ДСП-I при помощи атласа эталонного спектра. Проведение полного и частичного качественного анализа двух образцов различного состава.

Спектр пробы фотографируют рядом со спектром железа, используя для этого диафрагму Гартмана. Расшифровку спектрограммы производят на спектропроекторе с помощью атласа спектральных линий элементов. О присутствии элемента в пробе судят по появлению его последних линий на спектрограмме.

2.2. Аппаратура:Спектрограф ИСП - 28, дуговой генератор ИВС - 28, Спектропроектор ДСП - 1.

2.3. Качественный спектральный анализ порошкообразного вещества на присутствие металлов.В основе качественного спектрального анализа лежит способность атомов каждого химического элемента при возбуждении излучать свой линейчатый спектр. Поэтому любая спектральная линия элемента, присутствующая в спектре излучения пробы, может служить доказательством наличия его в анализируемом объекте.

По сравнению с другими аналитическими методами спектральный анализ является наиболее простым, быстрым и чувствительным методом. Метод спектрального анализа, как правило, не требует разделения анализируемого материала. В навеске пробы в несколько мг можно при одной операции фотографическим способом определить многие элементы.

Проведение качественного анализа сводится к нескольким операциям: 1) испарению и возбуждению спектра анализируемого вещества; 2) визуальному наблюдению или фотографированию спектра; 3) нахождение характерных линий соответствующих элементов в спектре. Для того, чтобы выяснить, присутствует ли данный элемент в анализируемой пробе, достаточно установить с полной уверенностью наличие одно-двух аналитических линий в спектре.

В спектре каждого элемента имеются множество линий различной интенсивности. Обычно для проведения качественного анализа выбирают характерные линии данного элемента, т.е. проверка наличия всех спектральных линий нерационально (большая затрата времени). Для каждого элемента установлен ряд наиболее чувствительных линий, которые называются «последними», т.к. с уменьшением концентрации данного элемента они исчезают последними. Концентрация, при которой исчезают «последние» линии, для каждого элемента различна. Большинство элементов можно обнаружить при концентрации их в пробе 0,01-0,001%, а иногда и при концентрации <0,001%. «Последние» линии, как правило, имеет невысокий потенциал возбуждения. Часто эти линии соответствуют переходам на нижний, основной уровень и являются резонансными линиями. Для повышения надежности анализа определение каждого элемента проводят не по одной, а чаще всего по нескольким его «последним» линиям. «Последние» линии для всех элементов хорошо известны. Их перечни приводятся в таблицах спектральных линий и в атласах спектров.

Следует отметить, что порядок исчезновения спектральных линий при уменьшении концентрации элемента в пробе не будет строго постоянным и зависит от многих факторов: источника возбуждения, чувствительности фотопластинок, состава пробы. Например, линия Zn I 213.9 нм будет «последней» только при исследования пластинок, специально очувствленных к коротковолновому участку спектра. При использовании обычных пластинок эта линия исчезает из спектра раньше многих других.

Многие линии различных элементов обладают столь близкими длинами волн, что на спектрограмме они налагаются друг на друга и их трудно различить.

Если обратиться к таблицам спектральных линий [12,13], составленных для всех элементов, то можно видеть что на каждые 0,1-0,15 нм приходятся десяток линий различных элементов. Однако круг элементов, линии которых могут налагаться на аналитическую, более ограничен. Многие из соседних к аналитической линии могут заранее не приняты во внимание по разным соображениям, связанным с возможностью возбуждения линии в данном источнике света или составом пробы.

На наложения линий при качественном спектральном анализе необходимо обращать самое серьезное внимание. Так как наложение спектральных линий – это один из источников ошибок. Поэтому используют при расшифровке спектрограмм другие, иногда менее чувствительные, но свободные от наложений спектральные линии элементов; или проводят анализ на приборах с большей дисперсией. Другим источником ошибок – появление последних линий определяемых элементов в спектре в результате случайных загрязнений. Только при анализе тугоплавких, хорошо проводящих веществ (металлы, сплавы) сами образцы могут служить электродами дуги. Во всех остальных случаях, и особенно, при анализе порошкообразных проб, необходимы электроды, между которыми горит дуга. Электродами могут служить стержни из угля, графита или тугоплавких металлов с относительно бедным спектром (например, Cu). Примеси в электродах чаще всего бывают источником помех. Например, в угольных электродах можно обнаружить последние линии ряда элементов (Ca, Mg, B, Fe, Si, Al). Поэтому для учета загрязнений рядом со спектром пробы и в тех же условиях нужно получить спектр чистых электродов.

Спектральный метод позволяет определить более 80 элементов периодической системы, присутствующие в веществе в количестве 0,01-0,001% и ниже. Однако наиболее чувствительные линии элементов расположены в спектральном интервале от инфракрасной до вакуумной ультрафиолетовой области. Поэтому для их регистрации требуются различные приемники излучения и спектральные приборы. Кроме того, большое различие в энергиях возбуждения последних линий приводит к тому, что спектры всех элементов не могут быть возбуждены в одном источнике света. С этой точки зрения принято делить элементы на две группы: трудновозбудимые и легковозбудимые. К первой, как правило, относятся металлы, ко второй – металлоиды и инертные газы, кислород, азот, сера. Чувствительные линии элементов второй группы лежат в области далекого ультрафиолета (λ< 200 нм) и недоступны для регистрации обычными способами. Наиболее широко применяются спектральные методы для определения элементов с небольшой энергией возбуждения, последние линии которых попадают в видимую и близкую ультрафиолетовую области.

Для качественного анализа обычно используется фотографический способ регистрации спектра. Преимущество фотопластинки при этом состоит в том, что одновременно регистрируется большая область спектра, а пластинка сохраняется неограниченное время, что дает возможность произвести повторную проверку результатов анализа.

Для расшифровки спектров и быстрого отождествления спектральных линий в качественном спектральном анализе применяются атласы спектральных линий. Атласы спектральных линий представляют собой сфотографированный и увеличенный спектр железа, по отношению к которому нанесено положение спектральных линий различных элементов.

Расшифровку спектра анализируемой пробы проводят, рассматривая полученные спектрограммы на спектропроекторе, сравнивая эти спектры со спектром железа при помощи планшетов атласа. Планшеты позволяют легко находить положение линий элементов относительно спектра железа. Все линии элементов, нанесенные на планшеты, снабжены обозначением соответствующей им длины волны и указанием интенсивности в дуге переменного тока по десятибальной шкале.

Линии железа нанесены рядом со шкалой длин волн, разделенной на ряд интервалов. Атлас составлен для кварцевого спектрографа средней дисперсии ИСП-28 с увеличением равным увеличению, полученному на экране спектропроектора ПС-18 или ДСП-1. На планшетах атласа точно воспроизводятся размеры и вид спектров, получаемых на этих приборах. Атлас позволяет быстро ориентироваться в спектрах различных веществ, сфотографированных на спектрографе ИСП-28.

При расшифровке спектров и выяснение возможных наложений спектральных линий одних элементов на другие необходимо пользоваться таблицами спектральных линий [13,14,16].

Отсутствие линий искомого элемента на спектрограмме означает, что содержание элемента в пробе ниже предела чувствительности метода.