Методы контроля и анализа веществ

Введение

Идентификация веществ, определение их химического состава и строения является важной задачей химии, т.к. состав и структура соединения определяет его реакционную способность и свойства.
Современные физические методы исследования химических веществ обширны и имеют в своей основе различные принципы качественного обнаружения и количественного определения элементного состава.
При выборе метода следует иметь представление о его сути и учитывать основные критерии применимости:
- способность обеспечить измерение аналитического сигнала,
- чувствительность, предел обнаружения,
- рабочий диапазон прибора,
- информативность метода,
- влияние мешающих определению факторов и компонентов,
- возможность автоматизировать метод исследования.
Выяснение состава вещества является первоочередной задачей химика. Это помогает предположить или установить возможную структуру химического соединения, либо контролировать качество и чистоту уже известного продукта. Точная картина состава вещества необходима и для его идентификации, и для контроля цепи химических превращений и т.д.
Современные инструментальные методы позволяют не просто качественно обнаружить элементы в исследуемой пробе, но провести точный количественный анализ.
Целью данной работы является анализ метода атомно-абсорбционной спектроскопии.
Задачи работы:
- изучить литературные источники по выбранной теме,
- рассмотреть сущность метода ААС, его принципиальное аппаратурное оформление и диапазоны применимости.
1. Классификация методов анализа веществ

Все многообразие методов анализа веществ классифицируется, как правило, на 4 основные группы: химические, физико-химические, физические и комбинированные [2].
В основе химических методов анализа лежит принцип химического взаимодействия, превращения анализируемого вещества. Данная группа в приложении к определению состава веществ, например, делится на следующие подгруппы:
- гравиметрия,
- титриметрия,
- фотометрические методы (турбидиметрические, нефелометрические).
Физико-химические методы основаны на изменении химического состояния определяемого элемента под действием физических факторов (изменение температуры, воздействие светового излучения или электричества и др.) или же на возникновении при этом некоторого физического эффекта (термического, электрического, светового и т.д.). Сюда относятся [1]:
- электрохимические методы (полярография, кулонометрия, потенциометрия, кондуктометрия, электрогравиметрия),
- люминесцентные методы (фосфоресцентные и флуоресцентные),
- хроматография.
Физические методы базируются на свойствах атомов определяемых элементов давать ответные реакции от воздействия на их ядра или электронные оболочки. В этой группе различают подгруппы:
- спектрометрические методы; среди них: оптические спектральные (атомно-эмиссионный анализ, атомно-абсорбционный, атомно-флуоресцентный) и рентгеноспектральные (флуоресцентные, абсорбционные), масс- спектрометрия. В некоторых работах масс-спектрометрия выделяется в отдельную груббу комбинированных физических методов анализа [7].
- ядерно-физические; среди них: радиометрические активационные (нейтронно-активационный метод, активационный с активацией заряженными частицами, гамма-активационный) и абсорбционно-дисперсионные (нейтронно-абсорбционный, метод отраженных бета-частиц, гамма-абсорбцион-ный.
- комбинированные физические (масс-спектрометрия).
Комбинированные методы сочетают принципы химических, физико-химических и физических групп попарно в любом сочетании. Сюда относят пробирный анализ и метод изотопного разбавления.
В настоящее время лидирующее место по использованию в аналитических исследованиях состава веществ имеют инструментальные: физико-химические (особенно высокоточные кулонометрия и электрогравиметрия) и, конечно же, физические методы [6].
2

. Традиционные спектрометрические методы анализа веществ

Как было показано выше, физические методы анализа вещества включают спектрометрические и ядерно-физические подгруппы методов.
Строение электронной оболочки атома каждого элемента определяет его индивидуальный атомный спектр.
Это может быть спектр поглощения (абсорбционный спектр), когда поступающее на атом излучение поглощается им, а энергия излучения достаточна для перехода электрона с занимаемого на более высокий энергетический уровень и равна разности энергий этих двух уровней.
Или же можно получить спектр испускания (эмиссионный спектр), если атом переходит из возбужденного состояния в стабильное с переходом электрона с занимаемого на более низкий энергетический уровень. При этом испускается квант излучения с энергией, равной разности энергий этих двух уровней.
Наблюдаемые в спектрах частоты соответствуют разностям энергий (Е) двух состояний электрона:
ν1, 2 = (E2 − E1)/h,
где h – постоянная Планка.
Содержание определяемого элемента в образце и в том, и в другом случае определяется по интенсивности линии (или нескольких линий) атомного спектра [6].
Спектрометрические методы в свою очередь могут быть оптическими спектральными, либо рентгеноспектральными.
Если электронные переходы обоих видов (и с повышением, и с понижением энергетического уровня) протекают во внешних электронных оболочках атомов, линии получаемых атомных спектров лежат в оптическом диапазоне. К оптическим методам относят атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный анализ, а также атомно-флуоресцентную спектроскопию.
Если же электронные переходы идут во внутренних электронных оболочках, то линии атомного спектра будут проявляться в рентгеновском диапазоне (рис. 1).


Рис. 1. Шкала электромагнитных волн [9].
3. Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС)

Метод основан на эффекте избирательного поглощения резонансного излучения света соответствующей длины волны атомами определяемых элементов. Аналитический сигнал в методе ААС – величина уменьшения интенсивности резонансного излучения. Чем выше содержание атомов определяемого элемента в пробе, тем соответственно больше будет величина поглощенного резонансного излучения с характерной длиной волны.
Атомное поглощение происходит в узкой области спектра, ширина линии поглощения при типичных условиях атомизации (давление атмосферное, температура в интервале 1000 – 3000 К) всего лишь 0,001 – 0,01 нм и строго индивидуально для атомов каждого элемента. Так что поглощение примесными атомами не влияет на результаты анализа [3].
Для измерения абсорбции слой атомных паров определяемого элемента просвечивается монохроматическим пучком света соответствующей длины волны, с высокой интенсивностью (высокая интенсивность дает возможность определять элемент в микроколичествах).
Резонансное излучение в интервале 190 – 900 нм получают, используя линейчатые источники света и источники сплошного спектра. Рассмотрим их [6]:
- лампы с полым катодом; внутренняя среда – инертный газ под низким давлением 1 – 5 мм рт.ст.; катод выполнен из металла или сплава, содержащего определяемый элемент (элементы); определение до 70 элементов; спектр излучения – монохроматический;
- высокочастотные безэлектродные лампы (СВЧ); в ампуле лампы содержится летучее соединение определяемого элемента с среде аргона; определение легколетучих и легкоплавких элементов, для которых не удается изготовление ламп с полым катодом (P, As, Cd, Pb, Cs, Rb, Ge, Ga, Hg, K, Na, Sn, Zn, Sb, Bi, Se, Te и др); спектр излучения – монохроматический;
- двухразрядные лампы; в баллоне конструктивно совмещены лампа с полым катодом и лампа СВЧ; спектр излучения – монохроматический;
- ксеноновые лампы; баллон под высоким или сверхвысоким давлением, атомизация и возбуждение внутренней среды – короткий дуговой разряд; спектр излучения – непрерывный;
- диодные лазеры; в отличие от предыдущих излучателей, работающих в диапазоне 190 – 900 нм, имеют перестраиваемую частоту (335 – 430 нм и 630 – 1600 нм); спектр излучения – высокомонохроматический, возможность определения даже изотопов.
Для перевода элемента из вещества пробы в состояние атомного пара применяются атомизаторы различного типа.
- термохимическая атомизация (пламенем газовой горелки); Т=800 – 3000 0С; проба вводится распылением (твердое вещество – в растворе);
- электротермическая атомизация (графитовая электропечь с графитовым электродом); Т=3000 0С, регулируется силой тока; атмосфера сверхчистого аргона; отсутствие уноса вещества из замкнутой камеры на 2 – 3 порядка снижает предел определения элемента;
- гидридный атомизатор (кварцевая ячейка или графитовая печь); боргидридом натрия компоненты пробы перед подачей в атомизатор восстанавливаются до газообразных гидридов; определение на уровне мкг/л для Pb, Te, Sn, Ge, Bi, Se, Sb, As с ошибкой не выше 1%;
- способ «холодного пара»; использует восстановление ртути с помощью SnCl2 до атомарной ртути, которая затем потоком инертного газа отгоняется для анализа в кварцевую абсорбционную ячейку;
- лампа с тлеющим разрядом; катод – из пробы твердого анализируемого соединения; применяется также а методе АЭС (см