Современные методы аналитического контроля материалов
Покупка
Тематика:
Материаловедение
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Автор:
Муравьева Ирина Валентиновна
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 40
Дополнительно
Доступ онлайн
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».
Тематика:
ББК:
УДК:
- 620: Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика
- 669: Металлургия. Металлы и сплавы
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 03.03.02: Прикладная математика и информатика
- 22.03.02: Металлургия
- 27.03.01: Стандартизация и метрология
- 28.03.03: Наноматериалы
ГРНТИ:
Скопировать запись
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
В корзину