ЗАДАЧА 12. ВИЗУАЛЬНЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ С ПОМОЩЬЮ СТИЛОМЕТРА.

Стилометр представляет собой специализированную установку для экспрессного качественного и количественного анализа металлов и сплавов по их спектрам испускания. Он рассчитан на выполнение это­го рода анализов в производственных условиях - заводских, цеховых лабораториях. Главная особенность стилометра - быстрота анализа. Средняя относительная ошибка единичного измерения при этом, как правило, составляет 3 - 7 % в зависимости от конкретной аналитической задачи. Значительным преимуществом применения стилометра является полное отсутствие повреждений анализируемой пробы. Это позволяет анализировать готовые детали, полуфабрикаты и т.п. В отношении точности анализа для большинства элементов в случае малых и средних концентраций стилометр успешно конкурирует с химическими методами и лишь при больших содержаниях примеси он уступает по точности последним.

Принцип действия. По принципу действия стилометр аналогичен другим спектральным приборам. Между подлежащим исследованию образцом и специальным постоянным электродом зажигают дугу или высоковольтную искру, вследствие чего промежуток между электродами заполняется светящимися парами материала электродов. Световое излучение направляют при помощи конденсора в спектральный аппарат. Наблюдаемый через окуляр стилометра линейчатый спектр содержит линии основного элемента пробы и постоянного электрода и линии примесей, имеющейся в анализируемой пробе.

Поскольку каждый элемент обладает в спектре только характерными для него спектральными линиями, качественный спектральный анализ основывается на том, что присутствие или отсутствие в спектре линий того или иного элемента является критерием наличия этого элемента в анализируемой пробе.

Спектр каждого элемента состоит из большого числа спектральных линий различной интенсивности. По мере уменьшения содержания данного элемента в пробе интенсивность его линий уменьшается, убывает также число линий его в спектре этого образца. То есть линии, которые исчезают в последнюю очередь, называются "последними линиями", и они являются самыми чувствительными линиями для обнаружения и измерения концентрации искомого элемента.

Для проведения количественного анализа необходимо измерять интенсивности спектральных линий примеси, которые пропорциональны концентрации примесных элементов в пробе. Чем больше содержание примеси в испытуемом образце, тем интенсивнее (ярче) линии этой примеси в спектре. Однако интенсивность спектральных линий зависит не только от содержания примеси в образце, но и от условий возбуждения спектра - силы тока, дугового промежутка, параметров спектрального аппарата и т.д. Поэтому суждение о количественном содержании элементов в пробе по абсолютной интенсивности его линий возможно толь­ко при очень тщательном соблюдении условий возбуждения. В связи с этим в основе современных методов количественного спектрального анализа лежит приём, заключающийся в измерении не абсолютной интенсивности спектральных линий данного элемента, а относительной интенсивности линий анализируемого элемента и линий элемента сравнения.

Обычно элементом сравнения бывает основной элемент пробы.

Таким образом, при проведении количественного анализа сравнивают интенсивности двух линий, одна из которых принадлежит искомой примеси, а другая - основному элементу пробы (либо элементу, из которого сделан постоянный электрод). Эти линии подбираются специальными спектроскопическими исследованиями. Выбор их определяется следующим критерием: обе линии должны изменять свою интенсивность по одному и тому же закону в зависимости от изменения условий возбуждения (такие линии называются гомологической парой). В этом случае отношение интенсивности линии примеси к интенсивности линии сравнения при определённой концентрации примеси будет всегда одним и тем же независимо от условий возбуждения спектра. Это отношение будет изменяться только при изменении концентрации примеси в образце.

Измерение относительной интенсивности линии анализируемого элемента и линии элемента сравнения в стилометре осуществляется при помощи фотометрических клиньев переменной плотности. Перемещением клиньев (каждой линии соответствует свой клин) линия анализируемой примеси и линия сравнения визуально уравниваются по яркости. Положения клиньев, при которых обе линии представляются одинаково яркими, считываются по жёстко связанным с ними шкалам. Алгебраическая сумма этих отсчётов (один отсчёт положительный, другой - отрицательный) служит мерой относительной интенсивности. Измерив относительную интенсивность сравниваемых линий для образцов с хорошо известным химическим составом (эталонов), строят градуировочный график, связывающий относительную интенсивность линий с процентным содержанием примеси в эталонах. В дальнейшем определение концентрации анализируемого элемента в исследуемых объектах ведётся с помощью градуировочной кривой.

Порядок выполнения работы.

1.Ознакомиться с оптической схемой и устройством стилометра дома по описанию прибора, приведенному в источнике [2], а также по паспорту прибора в лаборатории во время выполнения работы.

2.Подготовить электроды, сняв с них напильником или наждачной бу­магой окалину.

3.Укрепить электроды в держателях, зажечь дугу и получить спектр. В работе проводится анализ железа на хром, поэтому в поле зрения стилометра надо вывести тот участок спектра, где находятся линии сравнения (линии сравнения указываются преподавателем).

4. Установить одну из линий сравнения в рамку, расположенную в поле зрения, а другую - рядом с рамкой, и с помощью фотометрических клиньев уравнять яркости этих линий. При этом рекомендуется яркость более слабой линии не изменять, т.е. клин, меняющий яркость этой линии держать в положении, при котором показания шкалы, связанной с ним, минимальны. В этом случае яркости линий сравнения выравниваются ослаблением более интенсивной линии. Определить относительную интен­сивность линии хрома как алгебраическую сумму показаний шкал фото­метрических клиньев.

5. Провести измерения относительной интенсивности линий хрома для нескольких образцов с известными концентрациями хрома, а также для образца с неизвестной концентрацией Сr ,

6. Но данным, полученным для образцов с известными концентрациями хрома, построить градуировочный график, откладывая процентное содержание хрома по оси ординат, а относительную интенсивность линий - по оси абсцисс. По этому графику определить искомую концентрацию.

Примечание. Измерения относительной интенсивности линий проводить не менее десяти раз для каждого образца и градуировочный график строить по средним значениям. Поскольку фотометрирование линий в данном случае субъективно, каждый, кто выполняет работу, строит персональную градуировочную кривую.

Литература: 2.