Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Спектральные методы анализа

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 689967.01.99
Доступ онлайн
70 ₽
В корзину
В учебном пособии «Спектральные методы анализа» в краткой и доступной форме изложен материал по одному из разделов физико-химических методов анализа аналитической химии, задания и вопросы для самостоятельной работы и словарь терминов. Данное пособие позволит студентам получить основные знания по спектральным методам анализа, может служить руководством для самостоятельного изучения материала при подготовке к зачёту или экзамену. Адресовано студентам аграрных вузов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров (35.03.04 Агрономия, 19.03.02 Продукты питания из растительного сырья, 36.03.02 Зоотехния, 35.03.07 Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции) и специалистов (36.05.01 Ветеринария) очной и заочной формы обучения.
Спектральные методы анализа: Учебное пособие / Пашкова Е.В., Волосова Е.В., Шипуля А.Н. - Москва :СтГАУ - "Агрус", 2017. - 56 с.: ISBN. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/976630 (дата обращения: 28.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Пашкова Е.В., Волосова Е.В., Шипуля А.Н.,

Безгина Ю.А., Глазунова Н.Н.

СПЕКТРАЛЬНЫЕ 

МЕТОДЫ АНАЛИЗА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Ставрополь

20 7
1

УДК 543.061
ББК 24.1.я 7
Ф50

Печатается по решению методической 
комиссии факультета экологии и ландшафтной архитектуры и методического 
совета ФГБОУ ВО «Ставропольский 
государственный 
аграрный 
универси
тет»
(протокол № 8 от 10 марта 20 7
1  г.)

Рецензент:

Белик Е.В., кандидат химических наук, доцент

Боровлев И.В., доктор химических наук, профессор

Авторский коллектив:

Пашкова Е.В., кандидат технических наук, доцент
Волосова Е.В., кандидат биологических нау
т
н
е
ц
о
д
 ,к

Шипуля А.Н., кандидат химических наук, доцент 
Безгина Ю.А., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
Глазунова Н.Н., кандидат
х
и
к
с
е
ч
и
г
о
л
о
и
б
 
 наук, доцент

Спектральные методы анализа : Учебное пособие / Е.В. Пашкова, Е.В. Волосова, А.Н. Шипуля, Ю.А. Безгина,  Глазунова Н.Н. – Ставрополь : АГРУС 
Ставропольского гос. аграрного ун-та, 20 7
1 .– 56 с.

В учебном пособии «Спектральные методы анализа» в краткой и до
ступной форме изложен материал по одному из разделов физико-химических 
методов анализа аналитической химии, задания и вопросы для самостоятельной работы и словарь терминов. Данное пособие позволит студентам 
получить основные знания по спектральным методам анализа, может служить руководством для самостоятельного изучения материала при подготовке к зачёту или экзамену.  

Адресовано студентам аграрных вузов, обучающихся по направлениям 

подготовки бакалавров (35.03.04 Агрономия, 19.03.02 Продукты питания из 
растительного сырья, 36.03.02 Зоотехния, 35.03.07 Технология производства 
и переработки сельскохозяйственной продукции) и специалистов (36.05.01 
Ветеринария) очной и заочной формы обучения.

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение
5

Раздел 1.
Спектроскопические методы анализа: общие сведения
6

1.1.
Понятие о спектроскопическом методе анализа, его разновидности
6

1.2.
Природа электромагнитного излучения, основные характеристики, классификация электромагнитных волн
6

1.3.
Типы взаимодействия излучения с веществом
8

1.4.
Спектры атомов и молекул
9

Раздел 2.
Атомные спектральные методы
11

2.1.
Атомная спектроскопия. Классификация методов атомной спектроскопии
11

2.2.
Атомно-абсорбционная спектроскопия
11

2.2.1.
Сущность, достоинства, недостатки, области применения метода.
11

2.2.2.
Аппаратура, методика анализа атомно-абсорбционной 
спектроскопии
12

2.3.
Фотометрия пламени
14

2.3.1.
Сущность, достоинства, недостатки, области применения 
метода
14

2.3.2.
Спектры и температура пламени 
14

2.3.3.
Аппаратура, методика анализа на пламенном фотометре, 
определение концентрации веществ в растворе
15

2.4.
Атомно-эмиссионная спектроскопия
16

2.4.1.
Сущность, достоинства, недостатки, область применения 
метода
16

2.4.2.
Методика качественного эмиссионного спектрального 
анализа

17

2.4.3.
Методика количественного эмиссионного спектрального 
анализа.
19

Раздел 3.
Молекулярные спектральные методы
24

3.1.
Молекулярные спектральные методы. Основные законы 
поглощения излучения
24

3.2.
Колориметрия и фотоколориметрия
25

3.2.1.
Сущность, достоинства, недостатки, области применения методов
25

3.2.2.
Условия проведения колориметрических исследований
26

3.2.3.
Визуальные колориметрические методы
27

3.2.4.
Фотоэлектроколориметры
28

3.3.
Спектрофотометрия
29

3.3.1.
Спектрофотометрия: понятие, стадии исследования, поглощение многоатомными молекулами
29

3.3.2.
Сущность метода спектрофотометрии
31

3.3.3.
Поглощающие вещества
31

3.3.4.
Способы определения концентрации в спектрофотометрии
33

3.3.5. 
Исследование комплексных ионов с помощью спектрофотометрии
36

Тестовые задания для самоконтроля 
39

Рекомендуемый перечень вопросов и заданий для
самостоятельной работы студентов             
42

Учебно-методическое и информационное обеспечение 
44

Словарь терминов
46

ВВЕДЕНИЕ

Одной  из важнейших  задач современной химии является надежный и 

точный качественный и количественный  анализ неорганических и органических веществ, часто близких по строению и свойствам. Без этого невозможно 
проведение химических, биохимических и медицинских исследований, на 
этом в значительной степени базируются экологические методы анализа 
окружающей среды, криминалистическая экспертиза, а также химическая, 
нефтяная, газовая, пищевая, медицинская отрасли промышленности и многие 
другие отрасли народного хозяйства. Современные физико-химические методы анализа направлены на решение этих задач. 

Важной особенностью физико-химических методов анализа является 

экспрессность, высокий темп получения результатов. Своевременная информация о составе сырья, о степени химического предела дает возможность 
технологу активно вмешиваться в ход технологического процесса и вводить 
необходимые коррективы. Физико-химические методы анализа позволяют 
проводить дистанционный анализ, т.е. анализ на расстоянии. Важное практическое значение имеет дистанционный анализ в земных условиях, например, когда анализируются препараты высокой радиоактивности, токсичности. Многие приборы, используемые в физико-химических методах анализа, 
позволяют автоматизировать сам процесс анализа, или некоторые его стадии. В значительной степени автоматизирован газовый хроматографический 
анализ нефтяной, коксохимической и других отраслях промышленности. 
Анализ с помощью некоторых физико-химических методов может быть выполнен недеструкционным анализом, т.е. без разрушения анализируемого 
образца, что имеет большое значение для некоторых отраслей промышленности, анализе объектов окружающей среды. 

Среди физико-химических методов анализа большее практическое 

применении имеют спектральные методы анализа. Сущность данных методов
анализа подробно рассматривается в разделах данного учебного пособия.

Раздел 1. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА: 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1.
Понятие о спектроскопическом методе анализа, его разновидности

Спектроскопические методы анализа - физические методы, основан
ные на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Взаимодействие приводит к различным энергетическим переходам, которые регистрируют инструментально в виде поглощения излучения, отражения и рассеяния электромагнитного излучения.

Классификация:
•Эмиссионный спектральный анализ основан на изучении спектров ис
пускания (излучения) или эмиссионных спектров различных веществ. Разновидностью этого анализа является фотометрия пламени, основанная на измерении интенсивности излучения атомов, возбуждаемого нагреванием вещества в пламени.

•Абсорбционный спектральный анализ основан на изучении спектров

поглощения анализируемых веществ. Если происходит поглощение излучения атомами, то абсорбция называется атомной, а если молекулами, то - молекулярной.

Различают несколько видов абсорбционного спектрального анализа:
1. Спектрофотометрия - учитывает поглощение анализируемым веще
ством света с определенной длиной волны, т.е. поглощение монохроматического излучения.

2. Фотометрический метод основан на измерении поглощения анализи
руемым веществом света не строго монохроматического излучения.

3. Колориметрия основана на измерении поглощения света окрашенны
ми растворами в видимой части спектра.

4. Нефелометрия основана на измерении интенсивности света, рассеян
ного твердыми частицами, взвешенными в растворе, т.е. света, рассеянного
суспензией.

5. Турбидиметрия основана на измерении количества света, поглощае
мого неокрашенными суспензиями.

В зависимости от того, в какой части спектра происходит поглощение

или излучение, различают спектроскопию в ультрафиолетовой, видимой и
инфракрасной областях спектра.

•Люминесцентная спектроскопия использует свечение исследуемого

объекта, возникающее под действием ультрафиолетовых лучей.

Спектроскопия - чувствительный метод определения более 60 элемен
тов. Его применяют для анализа многочисленных материалов, включая биологические среды, вещества растительного происхождения, цементы, стекла
и природные воды.

1.2. Природа электромагнитного излучения, основные характери
стики, классификация электромагнитных волн

Электромагнитное излучение — вид энергии, которая распространяет
ся со скоростью, близкой к скорости света.

Распространение электромагнитного излучения удобнее всего предста
вить в виде волнового процесса, характеризующегося такими параметрами, 
как скорость, частота, длина и амплитуда волны. Для передачи электромагнитного излучения не нужна проводящая среда.

Для объяснения явлений, связанных с поглощением или испусканием 

излучательной энергии, недостаточно волновой модели. Необходимо представить электромагнитное излучение в виде потока дискретных частиц энергии, называемых фотонами. Такое двойственное описание излучения — как 
потока частиц и как волны — носит название корпускулярно-волнового дуализма.

Основные характеристики волн

Длиной волны называется расстояние между двумя максимумами или 

минимумами волны.

Она определяется по формуле:

v
c
cT
k


 

2
,

где k— волновое число — число волн, приходящееся на 2π, с — скорость 
света, Т — период волны, ν — частота волны,


2

1
w

T
v


,

ω — круговая частота волны.

Амплитуда волны — это наибольшее отклонение от нулевого значения 

величины, колеблющейся по определенному закону.

Интенсивностью электромагнитной волны называется величина, чис
ленно равная энергии, переносимой волной за единицу времени сквозь единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны.

Классификация электромагнитных волн (в скобках указан lg (v)):
Длинные (< 4), средние (4-5), короткие (5-6), ультракороткие (6-10), ин
фракрасное излучение (10-13), видимый свет (13-14), ультрафиолетовое излучение (14-16), рентгеновские лучи (16-18), гамма-лучи (> 18).

Электромагнитные излучения различных длин волн (или частот) состав
ляют электромагнитный спектр.

Для характеристики распространении света в различных средах исполь
зуют относительный и абсолютный показатели преломления. Абсолютный 
показатель преломления n — это отношение скоростей света в воздухе с и в 
данной среде ν:

v
c
N 
.

Относительный показатель преломления второй среды относительно 

первой n21 - отношение скоростей света в первой и второй средах:

1

2

2

1

21
n
n

V
V
n


.

Закон отражения света говорит о том, что падающий и отраженный 

лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, опущенным из точки падения к отражающей поверхности, и угол отражения равен углу падения.

Закон преломления света говорит о том, что:
1) падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпен
дикуляром, проведенным из точки падения луча к границе раздела двух сред;

2) отношения синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть 

относительный показатель преломления:




sin
sin

21 
n
.

Монохроматический свет — это световые колебания одной частоты. 

Такой световой поток не ограничен в пространстве и во времени.

Свет называется поляризованным, если колебания световых волн в нем 

происходят только в одной плоскости, и неполяризованным, если эти колебания происходят во всех плоскостях.

1.3. Типы взаимодействия излучения с веществом
При взаимодействии излучения с веществом его следует представить как 

поток фотонов — частиц энергии. Энергия фотона зависит от частоты 
(длины волны) излучения и выражается формулой

v
h
E


,

где h - постоянная Планка, равная 6,6262•10-34 Дж/с. Выражая частоту через 
длину волны, получим:


hc
E 
.

Типы взаимодействия излучения с веществом

1. Излучение энергии. Атомы или молекулы обладают ограниченным 

числом дискретных уровней энергии. Уровень, на котором частицы обладают 
минимальной энергией, называется основным состоянием. Для того чтобы 
атомы или молекулы перешли на более высокий уровень, т.е. возбудились, в 
систему необходимо ввести достаточное количество энергии. Время жизни в 
возбужденном состоянии, как правило, мало. При возвращении на более низкий уровень или в основное состояние система выделяет энергию в виде 
электромагнитного излучения. В этом случае энергия каждого испускаемого 
фотона определяется как разность энергий возбужденного Е2 и более низкого 
Е1, уровней энергии:

1
2
E
E
v
h




2. Селективное поглощение электромагнитного излучения с опреде
ленными частотами (длинами волн) при прохождении его через прозрачный 
слой твердого тела, жидкости или газа. При этом электромагнитная энергия 
передается атомам или молекулам вещества и переводит поглощающие частицы с основного энергетического уровня в возбужденное состояние.

Поглощение электромагнитного излучения каким-либо атомом или мо
лекулой вещества М можно представить в виде двух этапов. Первый этап:

*
M
v
h
M




где М* — атом или молекула в возбужденном состоянии, вызванном по
глощением фотона. Время пребывания в возбужденном состоянии обычно 
невелико; частицы возвращаются в первоначальное состояние в результате 
какого-либо релаксационного процесса. Чаще всего энергия возбуждения 
превращается в тепло, т.е.

тепло
M
M


*
.

Релаксация может также произойти в результате разрушения частицы в 

возбужденном состоянии с образованием новых веществ (фотохимическая 
реакция). Время жизни частиц М* обычно столь коротко, что концентрация 
их в любой момент при нормальных условиях очень мала, а количество тепла, выделенного ими, неощутимо. По этой причине облучение системы электромагнитным излучением при ее изучении сопровождается минимальным 
разрушением.

3. Рассеяние электромагнитного излучения рассматривается как по
глощение частицей вещества падающего фотона с энергией ћω и импульсом 
ћk, а затем испускание фотона энергией ћω ' и импульсом ћk'. Здесь ω и ω ' —
частоты падающего и рассеянного излучений, k и k' — волновые векторы.

1.4. Спектры атомов и молекул
Спектры испускания
Излучаемые частицы, достаточно удаленные друг от друга, ведут себя 

независимо одна от другой и испускают меньшее количество характерных 
спектральных линий (линий в спектрах электромагнитного излучения атомов, молекул и др.), чем это требуется для проведения анализа. В результате 
получается дискретный спектр, называемый линейчатым. Такими спектрами чаще всего обладают газы, так как молекулы в данной фазе вещества 
расположены на расстоянии, гораздо превышающем их собственные размеры.

Сплошной спектр представляет собой совокупность всех частот в рас
сматриваемой области. При этом отдельные линии расположены так близко, 
что их разделение обычными способами невозможно. Непрерывные спектры 
излучают, во-первых, твердые и жидкие тела, в которых атомы находятся на 
столь малом расстоянии один от другого, что не могут вести себя независимо 
друг от друга, и, во-вторых, сложные молекулы с большим числом близких 
энергетических уровней. Непрерывные спектры также наблюдаются в том 
случае, если изменение энергии обусловлено частицами с запасом неквантованной кинетической энергии.

Иногда, например, при люминесценции, происходит вторичное эмис
сионное излучение (спектр испускания). Поглотив квант энергии и перейдя 
в возбужденное состояние В, молекула или атом вещества через некоторое 
время возвращается в основное состояние А, излучив избыточную энергию в 
виде квантов. При этом часть энергии излучается сначала в виде кванта теплового излучения, что приводит к определенной стабилизации молекулы на 
нижнем возбужденном уровне, а затем происходит излучение кванта энергии, сопровождающееся переходом в основное состояние.

Вторичным эмиссионным излучением объясняется способность к само
стоятельному свечению под различными воздействиями. Если свечение прекращается сразу после исчезновения возбуждения, то такой процесс называется флуоресцентным. Спектр излучения, испускаемый при этом, называется спектром флуоресценции.

Спектры поглощения
Для молекул различают вращательный и колебательный спектры. 

Это разделение связано с тем, что энергию молекулы можно представить в 
виде суммы энергии, связанной с разными орбиталями внешних электронов 
молекул, энергии межатомных колебаний всей молекулы и энергии вращения 
молекулы вокруг центра тяжести. Чисто вращательный спектр поглощения 
(вся энергия молекулы равна энергии вращения) можно получить под действием микроволнового излучения, энергия которого меньше энергии инфракрасного излучения. В самой же инфракрасной области энергия излучения 
мала для электронных переходов, поэтому там наблюдается колебательная 
адсорбция, характеризующаяся колебательным спектром.

Спектры рассеяния
При облучении раствора вещества монохроматическим светом в спектре 

излучения, рассеянного веществом, наблюдается ряд полос излучения — рамановский спектр. Основная полоса рассеянного излучения имеет частоту, 
совпадающую с частотой возбуждающего излучения, и называется полосой 
релеевского рассеяния. Кроме нее в рамановском спектре наблюдаются и 
другие полосы. Их возникновение объясняется колебаниями диполей молекул, которые находятся на различных колебательных уровнях. Часть молекул 
при этом находится на более низком, часть — на более высоком, по сравнению с основным, колебательных уровнях. Частота излучения, создаваемого 
колеблющимися диполями таких молекул, отличается от частоты возбуждения на величину, равную частоте колебаний. В связи с этим в рамановском 
спектре появляются две симметричные относительно релеевского рассеяния 
полосы. Полоса с более низкой частотой имеет большую интенсивность.

Раздел 2.
АТОМНЫЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

2.1.
Атомная спектроскопия. Классификация методов атомной 

спектроскопии

Атомная спектроскопия основана на поглощении или испускании 

рентгеновского, видимого или ультрафиолетового излучения.

Классификация методов атомной спектроскопии:
Абсорбционные методы.
•Атомно-абсорбционная спектроскопия основана на измерении погло
щения света (определенной длины волны) при прохождении его через пламя, 
где содержится анализируемый элемент.

•Непламенная атомно-абсорбционная спектроскопия основана на изме
рении поглощения света при прохождении его через «непламенные атомизаторы» — приборы, осуществляющие процесс распада молекул на составные 
части и превращения их в атомы и ионы без нагревания пламенем.

Эмиссионные методы.
•Дуговая атомная спектроскопия (в качестве источника энергии, требу
емой для энергетических переходов, используют электрическую дугу).

•Искровая атомная спектроскопия (в качестве источника энергии ис
пользуют электрическую искру).

•Атомно-эмиссионная спектроскопия (фотометрия пламени) — в каче
стве источника энергии используют пламя.

2.2.
Атомно-абсорбционная спектроскопия

2.2.1. Сущность, достоинства, недостатки, области применения ме
тода

Атомно-абсорбционная спектроскопия – это аналитический метод 

определения элементов, основанный на поглощении излучения свободными 
(невозбудимыми) атомами.

Сущность метода
В атомно-абсорбционном анализе имеют дело в основном с абсорбцией 

резонансного излучения, представляющего собой характеристичное излучение, соответствующее переходу электрона из основного состояния на ближайший более высокий энергетический уровень.

В ходе определения часть анализирующего образца переводят в атом
ный пар (аэрозоль) и измеряют поглощение этим паром излучения характеристичного для определяющего элемента. Атомный пар получают распыление раствора, анализирующего вещества в пламени. При этом небольшая 
часть атомов возбуждается пламенем, большая часть их остаётся в основном 
(невозбуждённом) состоянии. Невозбуждённые атомы элемента, находящиеся в плазме в свободном состоянии, поглощают характеристичное резонансное излучение определённой для каждого элемента длины волны. Вследствие 
этого оптический электрон атома переходит на более высокий энергетический уровень, и одновременно пропускают через плазму, после этого излучение ослабляется.

Достоинства: селективность; чувствительность.

Недостатки: достаточно высокая ошибка (1-5 %). 
Области применения
Атомно-абсорбционный анализ – это универсальный метод определения 

следов большинства металлов (и некоторых неметаллов); применяется он и 
для определения высоких содержаний элементов.

К настоящему времени описаны методы атомно-абсорбционного опре
деления 76 элементов в образцах материалов различного происхождения.

Возможность использования атомно-абсорбционной спектроскопии для 

определения большинства элементов периодической системы, высокая селективность и чувствительность, точность и быстрота измерений, а также доступность автоматизации определений способствовали широкому применению этого метода не только в металлургической, горной и химической промышленности, но и мало освоенных аналитиками областях: в сельском хозяйстве, экономических исследованиях, пищевой промышленности, биохимии и медицине.

В агрохимической службе атомно-абсорбционный анализ используют 

для определения обмененных ионов натрия, калия, кальция и магния в почвах после извлечения 1М раствором хлорида аммония, а также кальция и 
магния после экстракции из почвы 0,5 М уксусной кислотой.

Метод используется так же в экологических исследованиях, при изуче
нии загрязнении почв свинцом. Применяется он и при более обширных экологических исследованиях, требующих определения полного содержания 
минеральных веществ в почве.

В растительных материалах атомно-абсорбционным методом определя
ют содержание микроэлементов: цинка, меди, марганца, а также железа и 
магния.

В пищевых продуктах металлы могут присутствовать как в виде полез
ных минеральных веществ, так и в виде нежелательных токсичных элементов. Атомно-абсорбционный анализ используется для определения содержания свинца и меди в мясе и мясных продуктах; цинка, ртути и мышьяка в 
пищевых и кормовых продуктах растительного происхождения. Следы металлов определяют во фруктовых соках и напитках.

Атомно-абсорбционная спектроскопия находит применение в анализе 

природных вод (речной и морской воды), а также промышленных сточных 
водах на содержание следов металлов.

2.2.2. Аппаратура, методика анализа атомно-абсорбционной спек
троскопии 

Установки для атомно-абсорбционной спектроскопии всегда содержат 

разрядную трубу (т.е. лампу с полым катодом, изготовленным из определённого элемента), атомизатор, монохроматор, фотоумножитель, ускоритель переменного тока и выходной измерительный прибор. Свет от разрядной трубки испускающей линейчатый спектр определённого элемента, пропускают 
через пламя горелки, в которое впрыскивают тонкий аэрозоль анестезирующего вещества. Область спектра, соответствующую расположению измеряе
Доступ онлайн
70 ₽
В корзину