Количественный эмиссионный спектральный анализ, его аппаратура. Пламенная фотометрия
Для анализа продуктов металлургического производства применяют отечественные квантометры (ДФС-10М, ДФС-31, ДФС-41) а также импортные квантометры (английские Е-6000, Е-1000, американские ARL - 29500, ARL - 31000 и др.).
Эмиссионная фотометрия пламени (пламенная фотометрия)
Пламенная фотометрия является одним из вариантов эмиссионного спектрального анализа и основана на измерении
интенсивности света, излучаемого возбужденными частицами (атомами или молекулами) при введении вещества в пламя горелки.
Принцип метода заключается в том, что раствор анализируемого вещества распыляют с помощью сжатого воздуха в пламени горелки, где происходит ряд сложных процессов, в результате которых образуются возбужденные атомы или молекулы. За счет энергии пламени, легко возбуждаемым атомом вещества (K, Na, Ca), сообщается избыточная энергия. Атомы этих металлов переходят в возбужденное состояние, характеризующееся переходом валентных (наружных) электронов на более высокие энергетические уровни. Через 10-8 секунды происходит их возврат на основные уровни, что сопровождается выделением порций энергии (квантов света). Совокупность квантов света приводит к образованию светового потока с длиной волны, характерной для атомов K, Na, Ca. Их излучение направляют в спектральный прибор, выделяющий излучение определяемого элемента светофильтрами или другими монохроматорами. Попадая на детектор (фотоэлемент), излучение вызывает фототок, который после усиления измеряют стрелочным гальванометром. Нахождение содержания определяемого вещества проводят с помощью градуировочного графика зависимости величины фототока от концентрации элемента, который строят по результатам анализа серии стандартных растворов. Отклонение от линейности градуировочного графика наблюдается в области больших (больше 100 мкг/мл у калия) и малых концентраций. В первом случае происходит самопоглощение света невозбужденными атомами, а во втором - уменьшается доля свободных атомов за счет смещения равновесия реакции ионизации атомов.
Наиболее распространенными отечественными приборами для пламенной фотометрии являются:
а) фильтровой пламенный фотометр типа ФПЛ-1 для определения Na, K, Ca из одного раствора прямым методом;
б) пламенный фотометрический анализатор жидкости ПАЖ-1 для определения микроколичеств Na, K, Ca и Li при их совместном присутствии в растворе;
в) пламенный фотометр FLAPHO-4 для определения Li, Na, K, Ca и Rb.
Поскольку спектры эмиссии атомов значительно проще молекулярных, то именно методы, основанные на их получении, стали широко применяться для массового многоэлементарного экспресс-анализа.
Пи АЭА анализируемая проба вещества вводится в источник возбуждения спектрального прибора. В источнике возбуждения данная проба подвергается сложным процессам, заключающимся в плавлении, испарении, диссоциации молекул, ионизации атомов, возбуждении атомов и ионов.
Возбуждённые атомы и ионы через очень короткое время (~10-7-108с) самопроизвольно возвращаются из неустойчивого возбуждённого состояния в нормальное или промежуточное состояние. Это приводит к излучению света с частотой и появлению спектральной линии.
Общую схему атомной эмиссии можно представить так:
А + Е А* А + h
Степень и интенсивность протекания этих процессов зависит от энергии источника возбуждения (ИВ).
Наиболее распространёнными ИВ являются: газовое пламя, дуговые и искровые разряды, индукционносвязанная плазма (ИСП). Их энергетической характеристикой можно считать температуру.
Сравнительная характеристика различных ИВ приведена в табл.2.3.1.
Таблица 1.
Сравнительная характеристика различных источников возбуждения
Источник возбуждения |
Темпратура, 0С |
Возбуждаемые элементы |
Пламя: |
1800 |
Щелочные металлы |
а) светильный газ - воздух | ||
б) ацетилен - воздух |
2200 |
Щелочные и щелочноземельные металлы |
в) ацетилен - кислород |
3100 |
Практически все металлы |
Дуга постоянного тока |
3500 - 7000 |
Металлы, С, N |
Дуга переменного тока |
5000 - 8000 |
Металлы, С, N и некоторые металлоиды |
Высоковольтная искра |
10000 (в факеле) |
Почти все элементы |
Индукционно связанная плазма (ИСП) |
3000 (в канале) |
Все элементы |
Методами АЭА можно исследовать твёрдые и жидкие пробы. Способы введения вещества в ИВ приведены в табл.2.3.2.
Различают качественный, полуколичественный и количественный АЭА.
Качественный анализ проводят путём идентификации спектральных линий в спектре пробы, т.е. установления их длины волны, интенсивности и принадлежности тому или иному элементу.
Для расшифровки спектра и определения длины волны анализируемой линии пользуются спектрами сравнения, в которых длины волн отдельных линий указаны. Чаще всего для этой цели используют хорошо изученный спектр железа, имеющий характерные группы линий с известными в разных областях длин волн.
Таблица 2.
Способы введения в ИВ
Источник возбуждения |
Фазовый характер образца |
Способ введения |
Пламя |
Жидкость |
Распыление |
Дуга |
Жидкость |
Нанесение на торец графит электрода |
Порошок |
Нанесение в графитовый электрод | |
Металлический слиток |
Изготовление электродов из анализируемого образца | |
Искра |
Жидкость |
Впрыскивание в искровой промежуток вращающимся колёсиком |
Порошок |
Изготовление прессованных брикетов | |
Металлический слиток |
Введение в ИК без специальной обработки |