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

Современные методы аналитического контроля материалов

Покупка
Артикул: 797660.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
В практикуме представлены вопросы, задачи и задания по основным темам программы дисциплины «Современные методы аналитического контроля материалов». Практикум предназначен для проведения практических и семинарских занятий для студентов, обучающихся в бакалавриате по направлениям подготовки 22.03.02 «Металлургия», 03.03.02 «Физика», 28.03.03 «Наноматериалы», 27.03.01 «Стандартизация и метрология».
Муравьева, И. В. Современные методы аналитического контроля материалов : практикум / И. В. Муравьева. - Москва : Издательский Дом НИТУ «МИСиС», 2021. - 40 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1915444 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Москва  2021

И.В. Муравьева

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ  
АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ  
МАТЕРИАЛОВ

Практикум

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 4390
М ИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
«МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

Кафедра сертификации и аналитического контроля

УДК 669:620.22 
 
М91

Р е ц е н з е н т 
д-р хим. наук А.Г. Ракоч

Муравьева, Ирина Валентиновна.
М91  
Современные методы аналитического контроля материалов : 
практикум / И.В. Муравьева. — Москва : 
Издательский Дом НИТУ «МИСиС», 2021. – 40 с.

В практикуме представлены вопросы, задачи и задания по основным 
темам программы дисциплины «Современные методы аналитического 
контроля материалов».
Практикум предназначен для проведения практических и семинарских 
занятий для студентов, обучающихся в бакалавриате 
по направлениям подготовки 22.03.02 «Металлургия», 03.03.02 
«Физика», 28.03.03 «Наноматериалы», 27.03.01 «Стандартиза-
ция и метрология».

УДК 669:620.22

 И.В. Муравьева, 2021
 НИТУ «МИСиС», 2021

Оглавление

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1 Спектроскопические методы. Общие положения . . . . . . . . . .5
2 Атомно-эмиссионный спектральный анализ . . . . . . . . . . . . 12
3 Атомно-абсорбционный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4 Рентгеновский спектральный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5 Рентгеновский фазовый (дифракционный) анализ  . . . . . 30
Приложение А – Значения некоторых фундаментальных 
констант . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Приложение Б – Аналитические линии, используемые 
при качественном спектральном анализе . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Предисловие

Обеспечение полного и комплексного использования сы-
рья, безопасности производства, охраны окружающей среды, 
возможности повышения качества металлопродукции и эф-
фективности работы металлургических предприятий в значи-
тельной степени определяется применяемыми методами ана-
литического контроля.
Поскольку свойства веществ и материалов обусловле-
ны в первую очередь их химическим составом и структурой, 
применение спектроскопических методов, а именно атомно-
эмиссионного, атомно-абсорбционного, рентгеновского (эле-
ментный анализ) и рентгеновского фазового (фазовый или 
структурный анализ), является необходимым для решения 
подавляющего числа аналитических задач, встречающихся 
в металлургическом производстве.
Предлагаемый практикум является непосредственным 
дополнением к курсу «Современные методы аналитическо-
го контроля материалов». В практикуме разобраны примеры 
решения практических задач аналитического контроля мате-
риалов, т.е. определение содержаний и концентраций с ис-
пользованием различных физических параметров. Приведе-
ны теоретические и практические вопросы, задачи и задания 
по атомно-эмиссионному, атомно-абсорбционному, рентгенов-
скому (элементный анализ) и рентгеновскому фазовому (фа-
зовый или структурный анализ) методам.

Основная цель практикума – помочь студентам закре-
пить основные теоретические положения учебного курса и 
использовать его для осмысленного восприятия важнейших 
методов количественного анализа. Предлагаемый матери-
ал предназначен для решения вопросов, рассматриваемых 
в курсе «Современные методы аналитического контроля материалов», 
и рассчитан на закрепление изучаемого материала 
на практических занятиях и в порядке самостоятельной проработки.

1 Спектроскопические методы. Общие 
положения

Методы аналитической спектроскопии основаны на испускании, 
поглощении или дифракции электромагнитного излучения 
атомами, молекулами или ядрами атомов анализируемого 
вещества.
Электромагнитное излучение может быть охарактеризовано 
следующими параметрами: длиной волны λ (расстояние 
между двумя вершинами волны), частотой излучения ν, 
энергией излучения Е.

Длину волны выражают в разных единицах: в ангстремах (
Å) (10–10 м), нанометрах (нм) (10–9 м), микрометрах 
(мкм) (10–6 м) или микронах (мк) (1 мкм = 1мк = 10–6 м).
Частота излучения ν есть число колебаний в секунду 
и выражается отношением скорости распространения излучения (
скорости света) С к длине волны: 

ν = С / λ; С ≈ 3 · 1010 см/с.

Частота измеряется в обратных секундах (с–1) или герцах (
Гц) (1 Гц = с–1).
Волновое число ν показывает, какое число длин волн приходится 
на 1 см пути излучения в вакууме и определяется соот-
ношением. Размерность волновых чисел – см–1. С частотой волновое 
число связано соотношением 
с
ν = ν .
Энергия излучения Е непосредственно связана с частотой: 


Е = hν,

где h – постоянная Планка, равная 6,625 · 10–34 Дж·с. 

Энергия излучения Е выражается в электрон-вольтах 
(эВ); 1 эВ = 8,066 · 103 см–1; 1 эВ = 23 ккал/моль. Частота пропорциональна 
энергии, а длина волны обратно пропорциональна 
энергии (приложение А).
Возможность определения индивидуальных компонентов 
в пробе сложного состава основана на том, что либо поглощаемое 
излучение, либо испускаемое пробой вторичное излучение 
характерно для данного компонента.

Характеристическое для данного процесса излучение 
разлагают с помощью диспергирующей системы на отдельные 
спектральные линии (спектр). По длинам волн характеристических 
линий λi идентифицируют компоненты – элементы, 
молекулы, молекулярные фрагменты (качественный анализ). 
Интенсивность спектральных линий (аналитический сигнал) 
функционально связана с концентрацией компонента в пробе: 
Iλ= f(C), что положено в основу количественного анализа.

В аналитических методах используют широкий энер-
гетический диапазон электромагнитного излучения. Спек-
тральную область, включающую видимое, ультрафиолетовое 
и инфракрасное излучения, называют оптическим диапазо-
ном (λ = 10–4–10–8 м), область длин волн 10–8–10–11 м явля-
ется рентгеновским диапазоном излучения, излучение в пре-
делах 10–11–10–13 м относят к γ-излучению. Общая схема 
приборов для проведения любого спектроскопического метода 
анализа (СМА) вещества представлена на рисунке 1.1.

            

Первичное излучение 

      Вторичное излучение (аналитический сигнал) 

 

Источник 
первичного 
излучения 

Проба

Диспергирующий 
элемент + система 
детектирования 

Устройство 
обработки 
данных 

Рисунок 1.1 – Схема прибора для проведения СМА

В зависимости от того, какие частицы являются ис-
точником аналитического сигнала при поглощении или вы-
делении энергии, различают методы молекулярной или 
атомной спектроскопии, абсорбционного или эмиссионного 
анализа.

Спектроскопические методы являются основными мето-
дами промышленного анализа металлургической продукции. 
С их помощью в металлургии выполняется более 70% всех ана-
лизов, что обусловлено в первую очередь точностью, экспресс-
ностью и многоэлементностью этих методов (таблица 1.1).

Таблица 1.1 – Характеристики спектроскопических методов 
анализа

Название метода
Определяемые  
элементы

Предел об-
наружения, 
Смин, %

Воспроизводи-
мость резуль-
татов, Sr
Атомно-эмиссионный 
оптический спек-
тральный анализ:
- пламенной фотоме-
трией 
-с искровым зарядом 
-с индуктивно связан-
ной плазмой

Щелочные и ще-
лочноземельные 
элементы

Более 70 элементов
Более 80 элементов

~ 10–4

~ 10–5 
 ~ 10–7

0,05–0,01

0,15 
0,01

Атомно-абсорбцион-
ный анализ: 
- с пламенной атоми-
зацией 
- с электротермиче-
ской атомизацией

~80 элементов

~70 элементов

10–5–10–6

10–6–10–7

0,02–0,005

0,05–0,02

Рентгеновский спек-
тральный анализ:
- рентгеновский флу-
оресцентный анализ
- электронное воз-
буждение

Все элементы с атом-
ными номерами 
Z > 10  (в некоторых 
случаях и более 
легкие)

10–2–10–4

10–1

0,5–0,01

0,01

Фотометрический 
анализ
Около 70 элементов
10–6
0,5–0,01

Рентгеновский диф-
ракционный анализ
Все кристалличе-
ские фазы
1,0–5,0
0,5–0,01

Как правило, СМА являются методами прямого анали-
тического контроля, они не требуют какой-либо специаль-
ной химической подготовки – растворения проб, предварительного 
разделения анализируемого вещества на отдельные 
компоненты и т.д. Контроль правильности таких методов и 
градуировку приборов осуществляют с помощью адекватных 
стандартных образцов состава, которые по своему составу и 

структуре строго идентичны аналогичным характеристикам 
анализируемых проб.

Примеры решения типовых расчетных задач

Пример 1. Вычислить длину волны λ линии натрия, 
если энергия возбуждения равна 2,4 эВ.

Решение. Используем взаимосвязь энергии с частотой 
(длиной волны). Энергию возбуждения выражаем в джоулях.
Длина волны рассчитывается по формуле

8
34
7
19
м
3 10
6,625 10
5,2 10
.
2,4 1,6 10
c
h E

−
−
−
⋅
λ =
⋅
=
⋅
=
⋅
⋅
⋅

Ответ: длина волны линии натрия составляет 5,2 · 10–7 м.

Пример 2. Определите энергию (Е, эВ/моль), волновое 
число (ν, см–1) спектральной резонансной линии, если ее длина 
волны λ составляет 624,9  нм.

Решение. Используя уравнение Планка, рассчитываем 
энергию излучения:

8
34
7
19
эВ/моль
3 10
6,625 10
1,988
.
6,249 10
1,6 10
c
E
h
h
−
−
−
⋅
= ν =
=
⋅
=
λ
⋅
⋅
⋅

Волновое число выражаем через известную формулу

1
5
см
см
1
1
16 002,5
.
6,249 10
с
с
с

−
−

ν
ν =
=
=
=
=
λ⋅
λ
⋅

Ответ: энергия и волновое число спектральной резо-
нансной линии составляют 1,988 эВ/моль и 16 002,5 см–1 соот-
ветственно.

Контрольные вопросы, задачи и задания

1 Что такое спектральная линия?
2 Какие спектральные линии называются резонансны-
ми, гомологическими, последними?
3 Какие виды спектров вы знаете?

4 Какие частицы имеют в спектрах широкие полосы по-
глощения:
а) молекулы;
б) атомы;
в) ионы?
5 Укажите инфракрасный диапазон электромагнитного 
излучения: 
а) 200–400 нм; 
б) 400–700 нм; 
в) 700–1000 нм; 
г) > 1000 нм.
6 Какие факторы влияют на интенсивность спектраль-
ной линии?
7 Как зависит интенсивность спектральной линии 
от концентрации элемента в пробе?
8 Что такое самопоглощение?
9 Определите длину волны спектральной линии эле-
мента, если энергия электрона атома этого элемента на воз-
бужденном уровне составляет 4,6 эВ, а энергия стабильного 
уровня – 1,9 эВ.
10 Определите длину волны резонансной линии в атом-
ном спектре меди, если энергия возбуждения резонансного 
уровня равна 3,9 эВ.
11 Определите энергию возбуждения спектральной ли-
нии железа, длина волны которой равна 3,27 · 10–7 м.
12 Определите длину волны резонансной линии погло-
щения атома хрома, если энергия стабильного уровня равна 
16,8 эВ, а энергия возбужденного уровня составляет 17,1 эВ.
13 Вычислите длину волны линии атома золота, если 
энергии основного и возбужденного электронного уровня в ато-
ме соответственно равны 4,17 и 6,68 эВ.
14 Определите длину резонансной линии в атомном 
спектре сурьмы, если энергия возбуждения резонансного 
уровня равна 5,8 эВ.
15 Определите длину волны аналитической линии 
в атомном спектре, если энергия верхнего уровня равна 
17,9 эВ, а нижнего уровня – 15,6 эВ.
16 Определите энергию (Е, эВ/моль), волновое чис-
ло (ν, см–1) спектральной резонансной линии, если длина ее 

волны λ (нм) составляет: 1) 455,3; 2) 553,4; 3) 403,2; 4) 521,7; 
5) 589,0; 6) 521,0; 7) 637,1; 8) 420,9; 9) 610,2; 10) 483,1.
17 Какова роль спектроскопических методов анализа 
в аналитическом контроле металлургического производства?
18 Что такое стандартный образец? Варианты ответа: 
а) образец, химический состав которого известен; 
б) образец, содержащий только определяемые элементы; 
в) образец, состав которого следует определить.
19 Как можно проверить правильность результата спек-
трального анализа? Варианты ответа: 
а) введением буферной смеси; 
б) использованием стандартных образцов; 
в) многократным повторением анализа.
20 Чем обусловлено требование адекватности стандарт-
ных и исследуемых образцов? Варианты ответа: 
а) упрощением методики определения элементов; 
б) сокращением времени анализа; 
в) учетом влияния матрицы образца.
21 Агрегатное состояние пробы, анализируемой спек-
тральным методом, может быть (выберите верный ответ): 
а) газообразным; 
б) жидким; 
в) твердым; 
г) любым.
22 В чем состоит специфика анализа «электронного 
лома» спектроскопическими методами?
23 В чем состоит специфика анализа экологических объ-
ектов спектроскопическими методами?
24 Требуется определить пробу ювелирного сплава. Ка-
кие методы анализа могут быть использованы для этого?
25 Имеется образец стали неизвестной марки. Требу-
ется выдать сертификат химического состава. Предложите 
набор методов анализа, с помощью которого это можно сде-
лать.
26 Имеется образец цветного сплава. Требуется выдать 
сертификат химического состава. Предложите набор методов 
анализа, с помощью которого это можно сделать.
27 Имеется несколько образцов минерального сырья. 
Необходимо определить содержание ценных компонентов и 

вещественный (фазовый) состав сырья. С помощью каких ме-
тодов анализа это можно сделать?
28 Имеется проба природной воды. Требуется устано-
вить соответствие ее санитарным нормам. Предложите набор 
методов анализа, с помощью которых это можно сделать.

Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину