Атомна спектроскопія поглинання. Атомна емісійна спектроскопія

  МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ, НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

Інститут екологічної безпеки

Кафедра біотехнології.

 

КУРСОВА РОБОТА

(пояснювальна  записка)

з дисципліни «Спеціальні фізико-хімічні методи контролю біотехнологічних виробництв»

 

 

Тема: «Атомна спектроскопія поглинання. Атомна емісійна спектроскопія»

 

 

 

 

 

 

Київ 2013

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Інститут екологічної безпеки

Кафедра біотехнології

Дисципліна: «Спеціальні фізико-хімічні методи контролю біотехнологічних виробництв»

Спеціальність: Біотехнологія

Курс: п’ятий. Група: 503. Семестр: дев’ятий

 

 

ЗАВДАННЯ

на курсову роботу студентки

Косцевич Наталії Миколаївни

1. Тема роботи: Атомна спектроскопія поглинання. Атомна емісійна спектроскопія.

2. Строк здачі  студентом закінченої роботи: 14.12.2012 р.

3. Зміст пояснювальної  записки (перелік питань, які підлягають  розробці):

4. Календарний  план

№	Назва етапу	Термін виконання	Відмітка про виконання
1	Отримання теми курсової роботи	07.11.2013 р.
2	Пошук інформації	08.11 – 24.11.2013 р.
3	Написання теоретичної частини	25.11 – 14.12.2013 р.
4	Доповнення та редагування	14.12 – 28.11.2011р.
	Захист курсової роботи	14.12.2011р.

 

7. Дата видачі  завдання: 07.11.2013

Керівник курсової роботи (проекту) _____________ Лазарєв В. Г.

                                            (підпис керівника) (П. І. Б.)

Завдання прийняла до виконання ______________ Косцевич Н. М.

                                        (підпис студента) (П. І. Б.)

Курсова робота захищена з оцінкою ________________

 

РЕФЕРАТ

 

Пояснювальна записка до курсової роботи «Атомна спектроскопія поглинання. Атомна емісійна спектроскопія»: 37с.,  рисунків 12,  літературних джерел 18.

Мета роботи – дослідити та проаналізувати особливості атомної спектроскопії поглинання та атомної емісійної спектроскопії.

Об’єкт дослідження – процеси атомної спектроскопії поглинання та атомно-емісійної спектроскопії.

Методи дослідження – опрацювання технічної літератури, аналіз порівняння, системний підхід.

 

ЗМІСТ

ВСТУП…………………………………………………………………………………….6.

РОЗДІЛ 1. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ТА ТЕРМІНИ АТОМНОЇ СПЕКТРОСКОПІЇ…...7.

1. Характеристика електромагнітного випромінювання…………………....9.
2. Поглинання електромагнітного випромінювання однорідними системами……………………………………………………………………….10.

РОЗДІЛ 2. АТОМНА СПЕКТРОСКОПІЯ ПОГЛИНАННЯ……………………...…..14.

1. Область і межі застосування атомної спектроскопії поглинання………14.
2. Принцип методу атомної спектроскопії поглинання……………..……..16.
1. Полум’яна атомно-абсорбційна спектроскопія……………..…….17. 
2. Спектроскопія атомної абсорбції із графітовою кюветою……….19.
3. Атомно-абсорбційні спектрометри……………………….………………20.
1. Історія створення і принцип дії………………….…………………21.
2. Будова і принципи дії атомно-абсорбційних спектрофотометрів.22.
3. Калібрування приладу……………………………………………..24.
4. Аналізатор та атомізатор…………………………………………...25.

РОЗДІЛ 3. АТОМНА ЕМІСІЙНА СПЕКТРОМЕТРІЯ ………………………………26.

3.1. Атомна емісійна спектрометрія із індуктивно-пов'язаною плазмою…….27.

3.2. Атомно-емісійні спектрометри………………………………………….…29.

ВИСНОВОК…………………………………………………………………………..…33.

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА……………………………………………………….35.

 

 

 

ВСТУП

 

На сьогодні широке поширення отримали фізичні методи дослідження речовини, і будь-який хімік-технолог повинен уміло використовувати їх для вирішення конкретних завдань. Для цього необхідно розуміти закодовану в спектрах інформацію і грамотно її розшифровувати.

Особливе місце серед сучасних фізичних методів дослідження займає спектроскопія, яка заснована на різних формах взаємодії електромагнітного випромінювання із речовиною і служить для визначення структури сполук, властивостей атомів і молекул, для якісного та кількісного аналізу речовин. Аналогічні задачі виконує ще один метод – фотоколориметрія. Однак, спектроскопічний метод аналізу в порівнянні з фотоколориметричним методом має ряд преваг:

• використання монохроматичного потоку електромагнітного випромінювання дозволяє докладно вивчати вузькосмужні спектри поглинання, наприклад, спектри поглинання аквакомплексів рідкоземельних елементів, урану, плутонію та інших рідкісних металів, а також зміни в цих комплексах під впливом різних факторів (рН, концентрації і т.д.);
• визначення концентрації сполук може бути виконано з більшою точністю і чутливістю; вибірковість методів визначення підвищується;
• у диференціальному спектроскопічному методі використання монохроматичного випромінювання забезпечує дотримання законів поглинання у більш широкому інтервалі концентрацій, що має ще більше значення, ніж у звичайній спектроскопії.
• спектроскопічний метод дає можливість досліджувати процеси комплексоутворення, вивчати стан речовин в розчині: визначати константи дисоціації реагентів , склад комплексних сполук , константи стійкості комплексних сполук.

1. Основні поняття та терміни атомної спектроскопії

 

Атомна фізика – розділ фізики, у якому вивчають будову і стан атомів. Теоретичною основою атомної фізики є квантова механіка. Основними розділами атомної фізики є: теорія атома, атомна (оптична) спектроскопія, рентгенівська спектроскопія, радіоспектроскопія, фізика атомних та іонних зіткнень.

Як відомо, електромагнітне випромінювання має одночасно як хвильові, так і корпускулярні властивості (рис.1.1)

Рис. 1.1. Загальний спектр електромагнітного випромінювання

У результаті взаємодії речовини з електромагнітним випромінюванням відбувається випускання (емісія) або поглинання (абсорбція) світла [1].

Сама ж спектроскопія – розділи фізики та аналітичної хімії, присвячені вивченню спектрів взаємодії випромінювання із речовиною. У фізиці спектроскопічні методи використовуються для вивчення всіляких властивостей цих взаємодій. В аналітичній хімії – для виявлення і визначення речовин за допомогою вимірювання їх характеристичних спектрів, тобто методами спектрометрії. До суттєвих переваг спектроскопії можна віднести можливість діагностики in situ , тобто безпосередньо в «середовищі існування » об'єкта, безконтактно, дистанційно, без будь-якої спеціальної підготовки об'єкта. Тому вона отримала широкий розвиток, наприклад, в астрономії.

Рис. 1.2. Схема можливих механізмів переходів між двома енергетичними станами атома з (а) поглинанням (b) спонтанним випусканням і (с) індукованим випусканням фотона.

Атомна спектроскопія – це метод визначення елементного складу речовини за її електромагнітним або ізотопному спектру. Існують різні аналітичні методи, і вибір найбільш відповідного методу є ключем для отримання правильних, надійних і об'єктивних результатів [2].

Для правильного вибору методу потрібно розуміння основних принципів кожного методу, його можливостей і обмежень, а також знання вимог, що пред'являються лабораторією: необхідна чутливість елементів, які визначаються, робочий діапазон визначених концентрацій елементів, кількість аналізованих зразків і якість одержуваних даних [3].

Розрізняють такі методи спектроскопії:

• атомна спектроскопія поглинання (абсорбційна спектроскопія);
• емісійна спектроскопія;
• вакуумна та далека ультрафіолетова спектроскопія;
• флуоресцентна спектроскопія;
• інфрачервона спектроскопія;
• раманівська спектроскопія;
• мас спектрометрія [4].

Перші два методи будуть знаходитися у фокусі нашого обговорення, що дозволить нам проникнути глибше в суть найбільш поширених аналітичних технік на сьогоднішній день.

 

1. Характеристика електромагнітного випромінювання

Електромагнітне випромінювання може бути охарактеризоване наступними параметрами: довжиною хвилі l,, частотою, або хвилевим числом , і енергією Е випромінювання, що відповідає їм.

Довжина хвилі – відстань між сусідніми вершинами або западинами хвилі. Основними одиницями виміру довжин хвиль служать в ультрафіолетовій і видимій областях нанометри (1 нм = 10-9 м = 10-7 см).

Частота випромінювання n - число коливань в одну секунду. Виражається відношенням швидкості поширення випромінювання (швидкості світла) до довжини хвилі:

                 (1)

Частота вимірюється в зворотних секундах(с-1) або герцах(Гц) (1Гц = 1 с-1). Хвилеве число показує, яке число довжин хвиль доводиться на 1 см шляху випромінювання у вакуумі і визначається співвідношенням:

,               (2)

де l - довжина хвилі у вакуумі. Хвилеве число вимірюється в см- 1.

Із частотою хвилеве число пов'язане співвідношенням:

,              (3)

де с – швидкість світла у вакуумі, рівна ~3‧1010 см/с (~3‧108 м/с).

Енергія випромінювання Е безпосередньо пов'язана з частотою:

           (4)

Замінюючи частоту в (4) вираженням (1) отримуємо:

,         (5)

де h – постійна Планка (h = 6,625‧10-34 Дж‧с).

Для розташування всіляких енергетичних станів атомів і молекул на шкалі енергії використовуються наступні одиниці енергії Е: см-1; електрон-вольти (еВ) і кілоджоулі (кДж).

Наприклад, якщо l = 250 нм, то = 40.000 см-1, n = 1200‧1012 с-1 и Е = 480 кДж/моль.

Набір довжин хвиль (чи частот) є електромагнітним спектром випромінювання. Ділення електромагнітного спектру на ряд областей не є різким і ґрунтується головним чином на способах отримання і реєстрації випромінювань різних довжин хвиль (чи частот) і пов'язано також із використанням різних оптичних матеріалів [18].

 

2. Поглинання електромагнітного випромінювання однорідними системами

Електромагнітне випромінювання має властивості як хвильового руху, так і потоку часток, тобто електромагнітні кванти представляють елементарними частками, що не мають маси спокою (фотонами), які мають імпульс p = h/n.

Процес поглинання фотонів якою-небудь системою, що складається із атомів або молекул, може бути представлений наступним чином. Внутрішня енергія молекул складається в основному з енергії обертання молекули як цілого, енергії коливання ядер один відносно одного і енергії руху електронів, що знаходяться в електростатичному полі атомних ядер. Тому загальна енергія молекули, може бути представлена як сума цих енергій:

Е = Еэл + Екол + Евр               (6)

При цьому найменшою виявляється енергія обертання Еоб молекул, дещо більшою – енергія коливання ядер Екол і найбільшою – енергія електронних переходів Еел. Співвідношення між цими видами енергії, приблизно, наступне: Еел:Екол:Еоб= 1000 : 100: 1.

Для молекули, так само як і для атома, строго визначені допустимі значення енергії стаціонарних станів Е0, Е1, Е2 і так далі. Найбільш низький рівень енергії відповідає основному стану атома або молекули, інші збудженим станам.

Якщо немає дії на атоми або молекули, яке переводить їх у збуджений стан, то вони усі виявляються на найнижчому, основнішому рівні (Е0), який і є початковим рівнем усіх ліній поглинання. Якщо молекула поглинає випромінювання, то її енергія підвищується і відбувається перехід із нижчого енергетичного рівня на більш високий.