Лабораторна робота
Тема. Емісійний спектральний аналіз. Вивчення дугового спектру заліза.
Мета. Ознайомитися із принципом емісійного спектрального аналізу, вивчити дуговий спектр заліза. Побудувати дисперсійну криву стилоскопа.
Прилади: стилоскоп, атлас спектральних ліній, виливка сталі, залізні й мідні електроди.
Принцип методу
Якщо аналізованій системі надати достатню енергію, то електрони атомів переходять у збуджений стан і приблизно через 10-8 с спонтанно вертаються на нижні орбіталі з емісією надлишкової енергії у вигляді дискретних і характеристичних для кожного виду атомів електромагнітних коливань у видимій, ультрафіолетовій або рентгенівській областях спектру. При цьому спектри носять лінійчастий характер.
Характеристичність лінійчастих спектрів лежить в основі якісного емісійного спектрального аналізу, а функціональна залежність між концентрацією елемента в пробі й інтенсивністю його спектральних ліній покладена в основу кількісного аналізу.
При відомій концентрації збуджених атомів (Ni) елементів у плазмі розряду, що перебувають на збудженому рівні і, інтенсивність спектральної лінії, відповідної до переходу і – 0, описується рівнянням:
Ii0 = Ni·Ai0·hνi0,
де Ii0 – інтенсивність спектральної лінії;
Ni – концентрація збуджених атомів;
Ai0 – ймовірність спонтанного переходу з рівня і на рівень 0 (коефіцієнт Ейнштейна);
h – постійна Планка;
νi0 – частота випромінювання, см-1
Для досить широкого інтервалу концентрацій елемента С залежність інтенсивності спектральної лінії від С може бути описана вираженням:
I=aCb,
де a – коефіцієнт, що залежить від властивостей джерела випромінювання й проби;
b – коефіцієнт, що характеризує самопоглинання.
Техніка безпеки
1. Ознайомитися з інструкцією про запобіжні заходи при роботі в лабораторії спектрального аналізу.
2. Прочитати опис даної роботи, ознайомитися зі схемою стилоскопа й формою запису в журналі.
3. При установці потрібної області спектру й індексу елемента обертати барабан обережно, не проходячи риску 0,0.
4. Під час спостереження спектра і поблизу приладу повинні перебувати тільки ті студенти, які виконують дану роботу.
5. По закінченню роботи необхідно виключити прилад і упорядкувати робоче місце.
6. УВАГА! Відкривати кришку штатива й міняти зразки на столику стилоскопа можна тільки при вимкненому приладі. Усі перемикання режимів робити після натискання кнопки «СТОП» на передній панелі. Режим роботи генератора повторно-короткочасний: після 3-х хвилин безперервної роботи необхідно, натисканням кнопки "СТОП" виключити прилад не менш ніж на одну хвилину. Перед роботою необхідний режим установлюється викладачем і лаборантом. Студенти оперують тільки кнопками "ПУСК" і "СТОП".
Вивчення дугового спектру заліза
Стаціонарний стилоскоп "Спектр" призначений для швидкого візуального якісного й напівкількісного спектрального аналізу чорних і кольорових сплавів у видимій області спектра. Стилоскоп застосовується для експресних аналізів, до точності яких не пред'являється високих вимог.
Є можливість аналізу тонкого дроту, стрічки, зразків малої маси з легкоплавких сплавів (на основі олова, свинцю і т.д.), визначення малих вмістів марганцю, хрому, нікелю, кобальту, титану, вольфраму, молібдену, елементів, які трудно збуджуються,: вуглецю й кремнію від 0,10 %, сірки від 0,02 % і інших елементів у сталях і сплавах.
Прилад може бути використаний на складах при контролі матеріалу, в експрес-лабораторіях ливарних цехів, у НДІ.
Аналіз за допомогою стилоскопа полягає в наступному: між аналізованим зразком і електродом запалюється електрична дуга або іскра. Випромінювання направляється трьохлінзовим освітлювачем на щілину приладу. Спостерігач розглядає в окуляр спектр аналізованого сплаву.
Оптична схема. Стилоскоп побудований за автоколімаційною схемою з горизонтальним розташуванням елементів. Світло від дуги за допомогою лінзової системи, відбивної призми 8 проектує на об'єктиви 9, 10 зі збільшенням 4, 5. Отриманий паралельний пучок світла попадає на диспергуючі призми 11 і 12. Великий катет призми 12 із заломлюючим кутом 31° посріблений, тому промені відбиваються від нього, проходять у зворотному напрямку через призми на об'єктив і попадають на прямокутну призму 13, дзеркало 14, яке направляє їх в окуляр. Середня лінза 4 освітлювальної системи зроблена змінною, вона вводиться на оптичну вісь переміщенням рукоятки на кожусі приладу. При одному положенні рукоятки щілина висвітлюється рівномірно, при іншому – освітлювальна система дає зображення джерела світла в площині щілини стилоскопа, що необхідно для спостереження слабких спектральних ліній, зокрема ліній неметалічних домішок. Оптична схема приладу наведена на мал. 1.
Рис. 1. Оптична схема стаціонарного стилоскопа:
1-7, 9, 10 - лінзи; 8 - відбивна призма; 11, 12 - диспергуючі призми; 13 - прямокутна призма; 14 - дзеркало; 15 - фотометричний клин; I - джерело світла; П - вісь обертання призми
Спектр заліза має велику кількість ліній. Вони добре вивчені і є своєрідною шкалою при визначенні положення невідомих ліній елементів у спектрі досліджуваного сплаву.
За допомогою шаблону встановлюють відстань від електрода до зразка - 1,5 мм. На столик поміщають аналізований зразок, поверхня якого повинна бути очищена від слідів окалини й усякого роду пороків. Поверхня зразка повинна бути розташована на рівні поверхні стола так, щоб вона перекривала отвір у столі. У міру обгорання електрод необхідно зачищати напилком або зрізати на токарському верстаті. У якості другого електрода використовують мідний дисковий електрод.
Для одержання режиму дуги необхідно перемикач 11 поставити в положення, відповідне до обраного значення підпалу фази (90°), перемикач 12 поставити в положення I, відповідне до підпалюючого імпульсу; перемикач 10 - у положення 0, перемикач 8 - у положення II, перемикач 7 - у положення "ВЫКЛ", перемикач 9 – у положення, відповідне до обраного значення індуктивності (40 мкГц). Так можна змінювати від 1 до 10 А за допомогою рукоятки приставки. Звичайно достатня сила струму 2-4 А. При цьому необхідно стежити за показанням амперметра (мал. 2).
Дивлячись в окуляр приладу, маховичком 4 приводять на середину поля зору необхідну область спектра (таблиця).
Установкою окуляра домагаються максимальної різкості спектральних ліній, після чого приступають до виявлення домішок і оцінці вмісту елементів в аналізованому зразку. Кожному хімічному елементу відповідають певні лінії спектра випромінювання. Отже, присутність у спектрі ліній даного елемента вказує на наявність його в аналізованому зразку. По яскравості спектральних ліній можна робити висновок про кількість речовини в аналізованому зразку.
При розгляді спектру заліза неважко помітити кілька характерних груп ліній. У фіолетовій області спектра від 425,0 до 433,7 нм можна спостерігати
Рис. 2. Передня панель стилоскопа "Спектр": 1 - знімна кришка; 2крукоятка фокусування спектра; 3 - окуляр; 4 - барабан (регулювання довжини хвилі); 5 - діафрагма; 6 - рукоятки регулювання положення електрода; 7 - перемикач режиму джерела порушення; 8 – перемикач комбінованого розряду; 9 - перемикач, що змінює величину індуктивності; 10 - перемикач, що змінює величину ємності; 11 - перемикач фази підпалу; 12 - перемикач кількості імпульсів; 13 - сигнальна лампа.
близько десяти досить яскравих ліній, більшість із яких розташовано на рівних відстанях друг від друга. Наприклад, три лінії: 425,0, 426,0 і 427,2 нм. Порівняно недалеко перебувають 3 яскраві лінії: 438,4; 440,4; 441,5 нм.
Звертає на себе увагу блакитна область від 450,0 до 460,0 нм, де втримуються три яскраві лінії 542,5; 452,8; 453,1 нм. Ці лінії чітко виділяються на порівняно блідих лініях в цій ділянці спектра.
Між блакитною і зеленою областями спектра добре помітні три яскраві подвійні лінії: 487,0; 489,0; 492,0 нм. У жовтій області спектра добре запам'ятовуються 2 групи із трьох ліній: 549,7; 550,1 і 550,7 нм; 557,0; 557,3 і 557,6 нм. У проміжку між цими групами яскравих ліній не втримується.
Перераховані вище лінії порівняно легко розшукуються в спектрі, завдяки своєму характерному розташуванню, і є віхами, по яких знаходять більш складні скупчення ліній. Уміння орієнтуватися в спектрі заліза дуже важливо при виконанні аналізу.
За результатами роботи будують дисперсійну криву стилоскопа, відкладають на осі ординат довжини хвиль спектральних ліній у нанометрах, а по осі абсцис - відповідні до цих ліній розподілу барабана. За допомогою дисперсійної кривої можна приблизно визначати довжини хвиль невідомих спектральних ліній і по них ідентифікувати елементи в досліджуваному зразку.
Спектральні лінії елементів-домішок
Елемент |
Довжина хвилі, нм |
Поділка шкали |
Вміст, % |
Область спектра |
Mn |
482,3 |
95 |
0,15-1 |
блакитна |
531,7 |
120 |
3-14 |
жовта |
|
Cr |
520,5 |
110 |
0,05-0,02 |
зелена |
425,4 |
60 |
0,1 |
фіолетова |
|
435,1 |
67 |
3-20 |
фіолетова |
|
471,4 |
88 |
0,2-5 |
блакитна |
|
505,1 |
106 |
2-18 |
зелена |
|
Co |
486,8 |
96 |
2-5 |
блакитна |
499,1 |
104 |
0,05-1,5 |
зелена |
|
V |
437,9 |
70 |
0,15-0,5 |
фіолетова |
439,0 |
70 |
0,15-0,5 |
фіолетова |
|
439,5 |
70 |
0,15-0,5 |
фіолетова |
|
487,5 |
97 |
0,8-2,5 |
зелено-блакитна |
|
505,3 |
106 |
1-18 |
зелена |
|
505,5 |
106 |
1-18 |
зелена |
|
551,4 |
120 |
5-18 |
жовта |
|
465,1 |
87 |
1-5 |
блакитна |
|
484,4 |
96 |
1-5 |
блакитна |
|
Mo |
553,3 |
121 |
0,15-2 |
жовта |
634,7 |
140 |
0,1-0,9 |
червона |
|
C |
657,8 |
142 |
0,1-1 |
червона |
545,4 |
118 |
0,02-0,06 |
жовта |
Література
1. Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 ч. Физико-химические методы анализа. - М.: Высш. шк., 1989. - Ч.2. - 384 с.
2. Методы обнаружения и разделения элементов (Практическое руководство) / Под ред. И.П. Алимарина. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. - 208 с.
3. Физико-химические методы анализа. Практическое руководство / Под ред. В.Б. Алесковского. - Л.: Химия. Ленингр. отд-ние, 1988. - С. 93-108. 4. Практикум по физико-химическим методам анализа / Под ред. О.М. Петрухина. - М.: Химия, 1987. - С. 7-25.
5. Таблицы спектральных линий / А.Н. Зайдель, В.К. Прокофьев, С.М. Райский и др. -.М.: Наука, 1977. - 798 с.
6. Русанов А.К., Ильясова Н.В. Атлас пламенных, дуговых и цикловых спектров элементов. - М.: Госгеоиздат, 1958. - 150 с.