Качественный спектр анализ

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………2
2. Качественный эмиссионный спектральный анализ…………………..3
3. Изотопный спектральный анализ……………………….……………..6
4. Качественный анализ по электронным спектрам поглощения………7
5. Качественный люминесцентный анализ………………………………9
6. Вывод…………………………………………………………………...11
7. Список литературы……………………………………………………12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В различных отраслях промышленности и народного хозяйства  важнейшим элементом производства является определение состава вещества и контроль его чистоты от примесей. Методы химического анализа, предполагающие переведение пробы в раствор и определение ее состава, пользуясь химическими свойствами элементов входящих в пробу, стали недостаточными для решения некоторых сложных задач: быстрый контроль состава больших партий готовых деталей, определение состава незначительного включения на поверхности детали, экспрессный контроль (в течение нескольких минут) состава пробы литейного цеха с целью корректировки плавки для получения сплава в пределах заданного состава, анализ проб на месте проведения геологических разведывательных работ без выезда в центральную лабораторию, большая чувствительность анализа в атомной технике и полупроводниковой промышленности. Для решения всех этих нетривиальных задач удобны в использовании методы спектрального анализа.

Спектральный анализ – это физический  метод анализа химического состава вещества, основанный на исследовании спектров испускания и поглощения атомов или молекул. Существует множество типов спектрального анализа, один из которых – качественный спектральный анализ – я бы хотела рассмотреть детальнее.

 

 

Качественный эмиссионный спектральный анализ

Качественный спектральный анализ – это анализ, в результате которого определяется состав без указания на количественное соотношение компонентов или дается оценка: много, мало, очень мало, следы. Задача данного вида спектрального анализа – обнаружить элементы, входящие в пробу, чаще всего очень малой концентрации или даже следа. Существенное значение здесь имеет повышение качества анализа, для этого необходимо учитывать свойства пробы и ее компонентов, характер их поступления в зону разряда, свойства источника возбуждения спектра, свойства спектральных линий определяемых элементов, свойства спектрального прибора и приемника излучения.

Характеристикой возможностей качественного спектрального анализа принято считать абсолютную чувствительность анализа – наименьшее количество вещества данного элемента, находящееся в пробе и дающее в спектре слабые, но достаточно четкие для идентификации последние линии элемента. Выражается в весовых единицах или в процентах к весу всей пробы (относительная чувствительность).

Факторы, определяющие абсолютную чувствительность анализа

Интенсивность спектральной линии можно представить формулой:

,    (1)

где N₀ – общее количество атомов данного элемента в кубическом сантиметре в зоне разряда; x – степень ионизации этих атомов; T – температура разряда; E_i – потенциал возбуждения атому; A_i – вероятность спонтанного излучения атома; g_i и g₀ – статистические веса верхнего и нормального состояний; k – постоянная Больцмана; h – постоянная Планка; ν_i - частота излучения.

С точки зрения чувствительности анализа в этой формуле существенны лишь некоторые величины. Увеличение числа N₀ зависит от скорости поступления вещества пробы в зону разряда. Предварительная обработка пробы может повысить концентрацию элементов, присутствующих в малых количествах, и тем самым повысить величину N₀ и чувствительность определения. Для максимизации чувствительности анализа существенную роль играет и температура плазмы разряда: при ее повышении возрастает степень ионизации атомов, отчего уменьшается число нейтральных атомов и интенсивность их последних линий. Учитывая степень ионизации x по формуле (1) и возбуждение атомов (экспоненту в этой же формуле) каждого элемента, можно найти оптимальную температуру их высвечивания. Температура также имеет важное значение для возбуждения свечения последних линий. Последние (и резонансные) линии ряда элементов соответствуют возбуждению довольно высоких энергетических уровней (ультрафиолетовая область спектра). Для повышения их интенсивности надо повысить концентрацию соответствующих возбужденных атомов путем повышения температуры разряда.

Абсолютная чувствительность элементов (предел обнаружения) в сильной степени зависит от спектрального прибора. Используемые при спектральном анализе источники возбуждения спектра (дуга и искра) кроме линейчатого спектра излучения атомов дают заметный фон, происходящий от свечения раскаленных концов электродов, раскаленных твердых частиц, попадающих в плазму, спектры излучения молекул и других причин. Интенсивный фон в спектре может маскировать слабые линии излучения элементов, присутствующих в виде следов, и снизить чувствительность обнаружения. В этом случае следует использовать приборы с большей линейной дисперсией; интенсивность фона при этом будет снижаться пропорционально увеличению дисперсии, интенсивность же спектральных линий остается неизменной (незаметная ранее на фоне спектральная линия становится заметной).

Серьезной помехой при  проведении качественного спектрального  анализа является возможность наложения  спектральных линий различных элементов. В этом случае приходится пользоваться не наиболее интенсивными из числа  последних линий, а переходить к другим, менее чувствительным, но не накладывающимся линиям.

При идентификации линий  полезны специальные атласы спектральных линий или искровых спектров с  указанием последних линий различных  элементов.

 

 

 

 

Изотопный спектральный анализ

Изотоп (от греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидность атома (и ядра) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре. Каждому изотопу, входящему в состав элемента, отвечает одна или несколько компонент в разрешенной структуре спектральной линии. Интенсивность компонент, принадлежащих данному изотопу, увеличивается с ростом концентрации изотопа.

Качественный анализ здесь производится также по наличию или отсутствию соответствующих спектральных компонент, принадлежащих тем или иным изотопам в структуре спектральной линии. При обнаружении компоненты изотопа однозначно решается вопрос о его присутствии. Стоит отметить, что отсутствие изотопической компоненты еще не говорит об отсутствии изотопа в исследуемой пробе, поскольку данный изотоп может содержаться в концентрациях меньших, чем чувствительность данного метода изотопного анализа. Чувствительность изотопного анализа зависит от выбора спектральной линии, от расстояния между компонентами изотопической структуры и их взаимного наложения и от применяемой аппаратуры. Как правило, она больше для линий с широко разделенной изотопической структурой. Обычно чувствительность изотопного спектрального анализа достигает десятых долей процента.

 

 

 

Качественный  анализ по электронным спектрам поглощения

Наличие характеристической частоты колебаний в колебательном  спектре позволяет сделать однозначное  заключение о присутствии в исследуемом  образце молекул, содержащих определенную атомную группу, а по совокупности всех частот колебаний можно сделать заключение о строении молекул. Однако, электронные спектры поглощения дают менее определенную информацию о характере исследуемого поглощения, так как обычно они представлены двумя-тремя полосами поглощения. Наличие в электронном спектре полосы поглощения может свидетельствовать в лучшем случае только о присутствии определенной хромофорной группы. Для однозначной идентификации вещества его спектр поглощения записывают в различных активных растворителях и сравнивают данные с соответствующими спектрами сходного вещества известного состава. Если спектры поглощения этих двух веществ в разных растворителях совпадают, то можно с уверенностью говорить об идентичности химического состава этих веществ.

Если спектр вещества изменяется при изменении pH раствора, то идентичность веществ можно установить путем записи спектров растворов при различных значениях pH. Здесь критерием идентичности соединений будет тождественность спектров этих веществ, полученных при различной кислотности растворителя. При идентификации соединений по их электронному спектру следует учитывать интенсивность полос поглощения. Различные органические соединения могут значительно отличаться друг от друга по этому параметру. Иногда интенсивность полос поглощения двух соединений настолько отличается, что спутать их невозможно, если даже они поглощают в одной и той же области спектра: например для ацетона ε_max =17, а для фенола ε_max =1450.

Идентификация исследуемого вещества может быть сделана сравнительно быстро, если спектральные кривые нанесены в виде кривых зависимости логарифма оптической плотности от частоты или длины волны; в этом случае форма кривой не зависит от концентрации раствора. Желательно, чтобы спектр исследуемого и сравниваемого веществ были вычерчены на прозрачной бумаге; в этом случае сравнение производится наложением одного спектра на другой.

Для идентификации неизвестных  веществ при помощи спектров поглощения необходимо располагать набором  стандартных кривых поглощения известных  веществ. В настоящее время существуют атласы электронных спектров поглощения органических и неорганических веществ. Разработаны также системы документации спектров электронного поглощения с помощью перфорированных карт, подобные тем, которые существуют для колебательных спектров.

 

 

 

 

 

Качественный  люминесцентный анализ

Задачи люминесцентного  анализа крайне разнообразны, как  и сами исследуемые вещества. Качественный химический люминесцентный анализ позволяет  обнаруживать по спектру свечения присутствие  определенного вещества (или группы) в анализируемой пробе, а также следить за ходом химических реакций. Чаще всего при люминесцентном анализе изучают собственное свечение анализируемого вещества. Однако дело осложняется тем, что только небольшое число соединений обладает четкими, имеющими характерную структуру спектрами люминесценции, которые позволяют делать однозначное заключение о присутствии определенного вещества (таковы редкоземельные и ураниловые соединения, порфирины, хлорофилл и др.); в большинстве же случаев спектры люминесценции имеют вид широких размытых полос, лишенных колебательной структуры. У смесей люминесцентных веществ полосы излучения отдельных компонентов часто накладываются друг на друга, поэтому люминесцентный анализ не вызывает трудностей лишь тогда, когда в исследуемой смеси имеется только одно вещество или когда компоненты смеси имеют свечения, расположенные в различных областях спектра.

Наиболее часто для  осуществления анализа производят предварительную подготовку исследуемой  смеси, которая заключается в удалении мешающих примесей и выделении одного интересующего компонента. Методы такого разделения могут быть различными: используют разнообразные химические реакции, температурное фракционирование, а также приемы обычной и люминесцентной хроматографии (приобретает все большее значение).

Помимо предварительного разделения смеси часто прибегают  к специальным приемам, учитывающим  особенности исследуемого класса веществ. Так, люминесцентный анализ часто проводят при низких температурах, при которых  в спектрах многих соединений проявляется колебательная структура, что делает их более характерными.

При качественном люминесцентном анализе большую помощь оказывают  поляризационные спектры, которые  тесно связаны с химической структурой исследуемых веществ и иногда могут быть более характерными, чем спектры поглощения и люминесценции этих соединений.

При качественном анализе минералов, известняков, глин, керамики, стекла, оптических кристаллов и других веществ часто измеряют их кривые термического высвечивания, у которых величина, расположение и число максимумов оказываются достаточно характерными.

Несмотря на использование  описываемых выше приемов, часто  не остается полной уверенности в  правильности полученных результатов, поэтому после окончания анализа, исследуемый образец для проверки подвергают дополнительным испытаниям, используя характерную зависимость цвета свечения многих веществ от величины pH раствора и другие приемы. При этом необходимо, чтобы эти дополнительные приемы обладали значительной чувствительностью и их осуществление не требовало бы больших затрат времени.

Выводы

В своей работе я затронула  немаловажный вопрос, касающийся изучения состава веществ и структуры соединений с помощью качественного спектрального анализа. Данный метод исследования уже многие годы занимает ведущие позиции не только в области промышленности, но и в биофизике, агрофизике, агрохимии, медицине, биологии, сельском хозяйстве, геологии. Быстрое проведение анализа тысяч проб и его точность значительно облегчает работу специалистам во всех вышеперечисленных областях, а также сокращает расходы и позволяет сделать невозможное ранее: обнаружить ничтожно малые концентрации веществ, что было нереально при использовании несовершенных методов химического «мокрого» анализа.

В работе я рассмотрела основные типы спектрального анализа, привела особенности каждого из них, а также способы повышения их чувствительности.